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EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS ALCALINOS E HIDROTÉRMICOS ASISTIDOS
CON MICROONDAS PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES A PARTIR DE TALLO
DE MAÍZ
KEVIN RENÉ SUÁREZ SUÁREZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA
BOGOTA D. C.
2017
EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS ALCALINOS E HIDROTÉRMICOS ASISTIDOS
CON MICROONDAS PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES A PARTIR DE TALLO
DE MAÍZ
KEVIN RENÉ SUÁREZ. S
Trabajo de grado para optar al título de
LICENCIADO EN QUÍMICA
Directores
JOSUÉ ANSELMO GARCÍA ORTIZ
Químico
WILLIAM GIOVANNI CORTES ORTIZ
Lic. En química, M.Sc Ciencias Ambientales. Estudiante de Doctorado en Ingeniería de
Materiales
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA
BOGOTA D. C.
2017
1
Contenido
Resumen ....................................................................................................................................... 13
Introducción ................................................................................................................................ 14
Capítulos 1. Estado actual del tema .......................................................................................... 16
Definición del problema ............................................................................................................. 16
Formulación del problema ......................................................................................................... 18
1. Antecedentes y justificación ................................................................................................... 19
1.1. Antecedentes ................................................................................................................. 19
1.2. Justificación .................................................................................................................. 25
2. Hipótesis ................................................................................................................................... 27
3. Objetivos .................................................................................................................................. 27
3.1. General .............................................................................................................................. 27
3.2. Específicos ......................................................................................................................... 27
4. Marco teórico .......................................................................................................................... 28
4.1. Residuos agrícolas de cosecha e industriales ................................................................. 28
4.2. Biomasa residual y su composición................................................................................. 28
4.3. Tipos de pretratamiento y su función ............................................................................. 29
4.4. Pretratamientos físicos ..................................................................................................... 30
4.5 Pretratamientos químicos ................................................................................................. 30
4.6. Implementación de microondas como pretratamiento ................................................. 31
2
5. Metodología ............................................................................................................................. 33
5.1. Preparación de la muestra para análisis composicional ............................................... 33
5.2. Determinación de porcentaje de humedad y sólidos totales ......................................... 34
5.3. Determinación de cenizas ................................................................................................ 34
5.4. Análisis orgánico elemental (OEA) ................................................................................ 35
5.5. Determinación de extractivos .......................................................................................... 35
5.6. Determinación de azúcares estructurales, lignina soluble e insoluble......................... 36
5.7. Determinación del poder calórico ................................................................................... 37
5.8. Selección de variables, desarrollo de pretratamientos, hidrólisis y cuantificación .... 37
5.9. Diseño experimental y superficies de respuesta ............................................................ 38
6. Cronograma de actividades ................................................................................................... 40
Capítulo 2. Caracterización inicial de la biomasa.................................................................... 41
7. resultados ................................................................................................................................. 41
7.1. Recolección y muestro ...................................................................................................... 41
7.2. Preparación de la muestra para análisis composicional ............................................... 43
7.3. Determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y cenizas .......................... 44
7.4. Análisis orgánico elemental (OEA) ................................................................................ 48
7.5. Determinación de extractivos en biomasa ...................................................................... 49
7.6. Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble ............. 52
7.7. Determinación de poder calórico .................................................................................... 63
3
Capítulo 3. Terminación de las condiciones experimentales y desarrollo de los
pretratamientos ........................................................................................................................... 65
7.8. Condiciones experimentales de los pretratamientos ..................................................... 65
7.9. Desarrollo del pretratamiento alcalino .......................................................................... 71
7.9.1. Secado a peso constante (pretratamiento alcalino) ................................................... 71
7.9.2. Réplicas del pretratamiento alcalino ........................................................................... 72
7.9.3. Secado a peso constante (replicas pretratamiento alcalino) ..................................... 72
7.9.4. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico .............................................................. 73
7.9.5. Secado a peso constante (pretratamiento hidrotérmico) .......................................... 73
7.9.6. Hidrólisis ácida (pretratamiento alcalino) ................................................................. 74
7.9.7. Hidrólisis ácida (pretratamiento hidrotérmico) ........................................................ 76
Capítulo 4. Cuantificación de azúcares extraíbles por cromatografía de alta eficiencia ..... 77
7.9.8. Cuantificación de hidrolizados por HPLC ................................................................. 77
8. Análisis de resultados ............................................................................................................. 83
9. Conclusiones ............................................................................................................................ 88
10. Proyecciones .......................................................................................................................... 90
11. Anexos .................................................................................................................................... 91
11.1. Desarrollo de los pretratamientos alcalinos asistidos por microondas. .................... 91
11.2. Desarrollo de las réplicas del pretratamiento alcalino asistido por microondas. .. 107
11.3. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas ................... 112
4
11.4. Tiempos de retención de los estándares de azúcares. ............................................... 121
11.5. Curvas de calibración de los estándares azúcares..................................................... 124
11.6. Cromatogramas de la cuantificación de celobiosa y manos ..................................... 130
12. Bibliografía ...................................................................................................................... 132
5
Índice de tablas
Tabla 1. Antecedentes pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas. ............................. 23
Tabla 2. Antecedentes pretratamiento alcalino asistido por microondas ...................................... 24
Tabla 3. Cronograma de actividades en meses. ............................................................................ 40
Tabla 4. Tarado de crisoles (Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas). ........ 44
Tabla 5. Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas. .......................................... 46
Tabla 6. Desviación estándar del % de humedad. ........................................................................ 46
Tabla 7. Desviación estándar del % de sólidos totales. ................................................................ 47
Tabla 8. Desviación estándar del % cenizas. ................................................................................ 47
Tabla 9. Análisis orgánico elemental. ........................................................................................... 48
Tabla 10. Tarado de balones (Determinación de % de extraíble). ............................................... 49
Tabla 11. Masa de extraíbles. ....................................................................................................... 51
Tabla 12. Tarado de crisoles (Preparación de analito para determinación % de lignina). ........... 52
Tabla 13. Determinación de humedad para determinación % de lignina. .................................... 53
Tabla 14. Tarado de crisoles Gosh (Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble
he insoluble). ................................................................................................................................. 53
Tabla 15. Determinación de % de lignina insoluble. .................................................................... 55
Tabla 16. Desviación estándar % AIR .......................................................................................... 55
Tabla 17. Desviación estándar %AIL ........................................................................................... 55
Tabla 18. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible. ......................................... 56
Tabla 19. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible diluido a ½ ....................... 56
Tabla 20. Desviación estándar % ASL. ........................................................................................ 58
Tabla 21. Condiciones experimentales del pretratamiento alcalino asistido por microondas. ..... 66
6
Tabla 22. Concentraciones implementadas en el pretratamiento alcalino. ................................... 67
Tabla 23. Estandarización de soluciones por método directo. ...................................................... 69
Tabla 24. Condiciones experimentales del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.
....................................................................................................................................................... 69
Tabla 25. Seguimiento de secado (Pretratamiento alcalino). ....................................................... 71
Tabla 26. Seguimiento de secado (Réplicas de pretratamiento alcalino). ................................... 72
Tabla 27. Seguimiento de secado (Pretratamiento hidrotérmico). ............................................... 73
Tabla 28. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento alcalino). .... 74
Tabla 29. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento hidrotérmico).
....................................................................................................................................................... 76
Tabla 30. Estándares y concentraciones de las curvas de calibración para la cuantificación por
HPLC. ........................................................................................................................................... 78
Tabla 31. Tiempos de retención de los estándares. ....................................................................... 78
Tabla 32. Resumen de resultados de caracterización de la biomasa. ............................................ 83
Tabla 33. Resumen de resultados de cuantificación de azúcares por pretratamiento. .................. 85
7
Índice de figuras
Ilustración 1. Ubicación del sitio de recolección (Sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia).
....................................................................................................................................................... 41
Ilustración 2. Cultivo de maíz. ...................................................................................................... 42
Ilustración 3. Comparación entre caña de maíz desnuda y con hojas. .......................................... 43
Ilustración 4. Disminución de tamaño de partícula por pretratamiento mecánico. ...................... 43
Ilustración 5. Extracción Soxhlet. ................................................................................................. 50
Ilustración 6. Producto del rotaevaporado de la extracción acuosa. ............................................. 50
Ilustración 7. Producto del rotaevaporado de la extracción etanolica. ......................................... 51
Ilustración 8. Cuantificación de azúcares estructurales (Xilosa-Glucosa) ................................... 59
Ilustración 9. Cuantificación de azúcares estructurales (Manosa) ............................................... 62
Ilustración 10. Pensado de la muestra para determinación de poder calórico. ............................. 63
Ilustración 11. Reactor de combustión.......................................................................................... 63
Ilustración 12. Calorímetro IKA C2000. ...................................................................................... 64
Ilustración 13. Proceso de autoclavado. ........................................................................................ 75
Ilustración 14. Hidrólisis de pretratamientos hidrotérmicos. ........................................................ 76
Ilustración 15. Sistema cromatográfico Shimadzu prominence. .................................................. 77
Ilustración 16. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-
14min). .......................................................................................................................................... 79
Ilustración 17. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-
14min) ........................................................................................................................................... 80
Ilustración 18. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-
14min) ........................................................................................................................................... 81
8
Ilustración 19. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-
14min) ........................................................................................................................................... 82
Ilustración 20. Ensayo 1: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-6min ..................................... 91
Ilustración 21. Ensayo 1 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 91
Ilustración 22. Ensayo 2: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-34s) ....................................... 92
Ilustración 23. Ensayo 2 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 92
Ilustración 24. Ensayo 3: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-27,45) ................................... 93
Ilustración 25. Ensayo 3 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 93
Ilustración 26. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min) .................................. 94
Ilustración 27. Ensayo 4 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 94
Ilustración 28. Ensayo 5: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14min) .................................. 95
Ilustración 29. Ensayo 5 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 95
Ilustración 30. Ensayo 6: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-22) ........................................ 96
Ilustración 31. Ensayo 6 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 96
Ilustración 32. Ensayo 7: Pretratamiento alcalino (165°C-0%m/v-14min) .................................. 97
Ilustración 33. Ensayo 7 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 97
9
Ilustración 34. Ensayo 8: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min) .................................... 98
Ilustración 35. Ensayo 8 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 98
Ilustración 36. Ensayo 9: Pretratamiento alcalino (120°C-8%m/v-22min) .................................. 99
Ilustración 37. Ensayo 9 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 99
Ilustración 38. Ensayo 10: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14) .................................... 100
Ilustración 39. Ensayo 10 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 100
Ilustración 40. Ensayo 11: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-6min) ................................ 101
Ilustración 41. Ensayo 11 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 101
Ilustración 42. Ensayo 12: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min) .............................. 102
Ilustración 43. Ensayo 12 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 102
Ilustración 44. Ensayo 13: Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min) ............................ 103
Ilustración 45. Ensayo 13 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 103
Ilustración 46. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min) ................................ 104
Ilustración 47. Ensayo 14 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 104
Ilustración 48. Ensayo 15: Pretratamiento alcalino (120°C-8%m/v-6min) ................................ 105
10
Ilustración 49. Ensayo 15 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 105
Ilustración 50. Ensayo 16: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-22min) .............................. 106
Ilustración 51. Ensayo 16 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 106
Ilustración 52. Ensayo 4 (Replica): Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min) ................ 107
Ilustración 53. Ensayo 4 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 107
Ilustración 54. Ensayo 8 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min) .................. 108
Ilustración 55. Ensayo 8 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 108
Ilustración 56. Ensayo 10 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14) .................... 109
Ilustración 57. Ensayo 10 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 109
Ilustración 58. Ensayo 12 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min) .............. 110
Ilustración 59. Ensayo 12 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 110
Ilustración 60. Ensayo 13 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min) ............ 111
Ilustración 61. Ensayo 13 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 111
Ilustración 62. Ensayo 1: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-6min). ...................................... 112
Ilustración 63. Ensayo 1 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 112
11
Ilustración 64. Ensayo 2: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-34s). ........................................ 113
Ilustración 65. Ensayo 2 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 113
Ilustración 66. Ensayo 3: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-27,45min) ................................ 114
Ilustración 67. Ensayo 3 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 114
Ilustración 68. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min). .................................... 115
Ilustración 69. Ensayo 4 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 115
Ilustración 70. Ensayo 5: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-14min) ..................................... 116
Ilustración 71. Ensayo 5 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 116
Ilustración 72. Ensayo 6: Pretratamiento hidrotérmico (210°C-22min) ..................................... 117
Ilustración 73. Ensayo 6 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 117
Ilustración 74. Ensayo 7: Pretratamiento hidrotérmico (210°C-6min) ....................................... 118
Ilustración 75. Ensayo 7 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 118
Ilustración 76. Ensayo 8: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-22min) ..................................... 119
Ilustración 77. Ensayo 8 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 119
Ilustración 78. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min) ....................................... 120
12
Ilustración 79. Ensayo 9 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo
secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 120
Ilustración 80. Tiempos de retención de xilosa, arabinosa, glucosa y galactosa. ....................... 121
Ilustración 81. Tiempo de retención de manosa. ........................................................................ 122
Ilustración 82. Tiempo de retención de celobiosa. ..................................................................... 123
Ilustración 83. Curva de calibración xilosa. ................................................................................ 124
Ilustración 84. Curva de calibración arabinosa. .......................................................................... 125
Ilustración 85. Curva de calibración glucosa. ............................................................................. 126
Ilustración 86. Curva de calibración galactosa. .......................................................................... 127
Ilustración 87. Curva de calibración celobiosa. .......................................................................... 128
Ilustración 88. Curva de calibración manosa. ............................................................................. 129
Ilustración 89. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-
5%m/v-14min). ........................................................................................................................... 130
Ilustración 90. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-
5%m/v-14min). ........................................................................................................................... 130
Ilustración 91. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-
14min). ........................................................................................................................................ 131
Ilustración 92. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-
14min). ........................................................................................................................................ 131
13
Evaluación de tratamientos alcalinos e hidrotérmicos asistidos con microondas para la
obtención de azúcares a partir de tallo de maíz
Resumen
En el presente trabajo en primera medida se seleccionó un residuo de cosecha de alto impacto
a nivel nacional, como lo es el maíz, más específicamente, el tallo, ya que este representa un amplio
porcentaje en masa de residuo con respecto al grano que es el producto de interés, además de esto
el maíz es uno de los cereales de más demanda con una producción de 1020 millones de toneladas
a nivel mundial según la FAO en reportes del 2014 y 1’069.059 toneladas en Colombia para el
periodo especifico de 2010 según el ministerio de agricultura y desarrollo rural (Chaverra,
Walteros, & Santamaría, 2010a; Food and agriculture organization of the united nations, 2014). El
residuo de cosecha se extrajo de la localidad de Tunjuelito en inmediaciones a la biblioteca del
Tunal y el hospital del Tunal, en un cultivo auto sostenible, perteneciente al parque urbanización
Santa Lucia ubicado exactamente en sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia. Posterior a
la caracterización física y química que incluye determinación de humedad, sólidos totales, cenizas,
análisis orgánico elemental y determinación de contenido de lignina soluble e insoluble se
evaluaron dos pretratamientos distintos, pretratamiento de microondas/básico y pretratamiento
microondas/hidrotérmico, se desarrollaron 16 ensayos a diferentes condiciones para el
pretratamiento alcalino y 9 para el pretratamiento hidrotérmico, para un total de 25 ensayos, se
determinó cuál de los tratamientos presenta mayor rendimiento en la extracción de azúcares
hidrolizables de hemicelulosa y celulosa como materia prima por medio de la cuantificación de los
mismos por HPLC. Dentro de los resultados obtenidos se determinó que Colombia deja de
aprovechar 21.417,2535 TJ/año provenientes de residuos de cosecha de la siembra de maíz, cuya
disposición final es por lo general su quema.
14
Introducción
En la actualidad los residuos agroindustriales y de cosecha representan focos de contaminación
por la degradación de la biomasa (Saval, 2012), por lo general el método de tratamiento de dichos
residuos es su quema o implementación en la alimentación de animales de granja. Para el caso
particular del maíz, la parte de interés es el grano por lo cual el resto de la planta se reconoce como
un subproducto de cosecha de poco valor e interés, siendo el maíz uno de los cereales de mayor
demanda con una producción de 1020 millones de toneladas a nivel mundial y 119.8 millos de
toneladas en américa del sur, según el reponte Perspectivas de cosechas y situación alimentaria de
diciembre del 2014 presentado por la FAO (Food and agriculture organization of the united
nations, 2014); por ende se asume que los residuos generados por este tipo de cultivos son de
proporciones sumamente grandes.
Para el caso particular de Colombia, según el anuario estadístico del sector agropecuario y
pesquero 2010 del ministerio de agricultura y desarrollo rural (Chaverra, Walteros, & Santamaría,
2010b) reporta que para el periodo de 2010 Colombia sembró más de 495.612 hectáreas de maíz,
con una producción de 1’069.059 toneladas y un rendimiento de 2.157 kilogramos por hectárea,
lo que indica que hay una gran cantidad de residuos pos cosecha, por lo cual se hace pertinente
buscar métodos para la eliminación e implementación de dichos residuos. Una de las alternativas
que se encontró para la utilización de la biomasa restante, es la transformación en compuestos de
valor energético o económico. Teniendo claro que en Colombia se desperdicia el potencial
energético proveniente de los residuos agrícolas tanto de cosecha como industriales, se tiene que
desarrollar métodos por los cuales se pueda extraer el máximo potencial energético, en este caso
se implementaron los pretratamientos alcalino e hidrotérmico asistido con microondas, para
determinar cuál es el más adecuado y poder implementar las biomasa residuales como precursoras
15
para generar en estudios posteriores productos como biodiesel, etanol, metano, derivados de
furfural, hidrogeno o su implementación en la sucroquímica donde se pueden obtener ácido
oxálico, ácido acético, ácido L-glutámico, uretanos entre otros (Bizzo, Maria, Hovell, & Rezende,
2009).
16
Capítulos 1. Estado actual del tema
Definición del problema
Gran parte de la economía colombiana se desarrolla en el sector agropecuario, por consiguiente
se asume que en Colombia hay gran cantidad de producción de residuos provenientes de la
agricultura. Por lo general el tratamiento que reciben estos residuos es su quema, dando como
resultado gases producto de la combustión que resultan tóxicos para el medio ambiente, cuando
no es así, los residuos se pican y se dejan en descomposición en los suelos, de esta forma se ven
contaminadas las aguas superficiales, subterráneas y los mismos suelos donde se descomponen
los residuos, esto ocurre por medio de un mecanismo denominado contaminación potencial difusa
por actividad agrícola, en la cual, la descomposición tanto de la biomasa como la de los excesos
de pesticidas y fertilizantes generan lixiviados con altos contenidos de nitrógeno y fosforo que dan
como resultado la degradación de los recursos hídricos mediante el aumentando de la
eutrofización, carga de sólidos en suspensión, turbidez y la disminución de oxígeno disuelto
(Cotler & Daniel, 2010; Saval, 2012).
En Colombia se producen 71’943.813 toneladas anuales de residuos de diferentes cultivos,
1’936.479 toneladas anuales de residuos producto de la siembra y cosecha del maíz y 1’278.642
toneladas anuales específicamente de rastrojo de maíz (Escalante, Orduz, & Zapata, 2011), en
nuestro país la disposición final de los residuos provenientes de la siembra de maíz, en la mayoría
de los casos es la quema, de este modo se pierde un potencial energético importante y se generan
gases de combustión, además de esto se debe tener en cuenta que los datos anteriormente
mencionados no tienen en cuenta los residuos agrícolas industriales (RAI), por lo cual la cifra
total es muy superior a la mostrada, por este motivo se tiene que empezar a implementar la biomasa
residual como precursora en diferentes fines ya sean en la producción de biocombustibles de
17
segunda generación, en la sucroquímica o su implementación en la producción de papel, entre
otras.
Para lograr el máximo aprovechamiento de estos residuos es necesario desarrollar métodos que
permitan la mayor extracción de azucares estructurales de la biomasa dependiendo de las
características de la misma, por lo tanto se hace pertinente el presente estudio ya que se evaluara
y comparara la capacidad de extracción de azucares hidrolizables provenientes del tallo de maíz
por medio de los pretratamientos, hidrotérmico y alcalino asistidos con microondas y así
finalmente comenzar a aprovechar el potencial energético de dichos residuos.
18
Formulación del problema
¿Cuál pretratamiento, hidrólisis alcalina e hidrotérmica asistida con microondas en biomasa
residual generada a partir de la siembra de maíz (tallo) permite extraer mayor cantidad de azúcares
hidrolizables?
19
1. Antecedentes y justificación
1.1. Antecedentes
A continuación se presentan algunos de los artículos más relevantes con respecto a los
pretratamientos a implementar en el presente estudio, pretratamiento hidrotérmico y alcalino
asistido con microondas, se observaran las diferentes variables tenidas en cuenta como diferentes
rangos de temperatura y tratamientos finales para la biotransformación de la biomasa.
Dentro de los esfuerzos por implementar nuevas tecnologías y tratamientos para el
mejoramiento al acceso de hemicelulosa, celulosa y azúcares hidrolizables disponibles en la
biomasa residual, en este caso subproducto de la producción de maíz, se han implementado el
reactor Parr 4842 modelo no. 4551 en donde la biomasa se somete a rangos de temperatura entre
180°C y 223°C, seguido de la sacarificación y fermentación simultánea, obteniendo su mejor
rendimiento cuando la severidad del tratamiento fue de S0= 4,2, dando como resultado la
obtención de 12, 6 g de sacáridos solubles por cada 100g en peso seco de rastrojo de maíz
(Buruiana, Vizireanu, Garrote, & Parajó, 2014).
Otros autores utilizaron como materias primas suero, residuos secos de maíz, tallo de uva, orujo
de uva, paja de arroz, paja de cebada, piel y semillas de tomate, en este caso se implementó un
digestor con la biomasa inoculada con lodo digerido (se denominan lodos digeridos a los
sedimentos de aguas residuales que han pasado por un proceso de digestión aeróbica) con una
relación en masa de 1:2 (1 parte de lodo digerido y 2 partes de biomasa) para la producción de
biogás, en este caso las condiciones experimentales fueron de 40°C y un tiempo de duración de 40
días, dentro de los resultados obtenidos, los residuos que más generaron biogás fueron el suero y
los residuos secos de maíz. Como conclusión, residuos como paja de arroz, cebada y suero pueden
20
llegar a suplir un estimado del 50% al 30% de la energía producida en Italia, gracias a su gran
disposición es dicho país (Dinuccio, Balsari, Gioelli, & Menardo, 2010a).
Aparte de los productos de interés energético como biodiesel, etanol y biogás, la biomasa
residual también se puede aprovechar en la generación de otros productos de alto valor, en este
caso productos para el desarrollo de bioprocesos (ácidos grasos volátiles). De acuerdo con (Zhou
et al., 2013) la generación de ácidos grasos volátiles se da por medio de la digestión anaeróbica
de lodos activados y biomasa pre tratada, para el caso se desarrolló pretratamiento alcalino a paja
de maíz por medio de la adición de NaOH al 2% m/m a una temperatura de 85°C, con una relación
sólido-líquido de 1:10 (g de peso seco a mL) por una hora, posterior a esto se añadió la biomasa a
un reactor discontinuo con el lodo activado a diferentes proporciones, con un pH inicial controlado
de 10, se eliminó la presencia de oxigeno por medio de la inyección de nitrógeno para
posteriormente poner a condiciones experimentales de 35°C y 100 rpm/min. Se concluyó que las
proporciones que generaban mayor rendimiento en la obtención de ácidos grasos volátiles entre
lodo activado y paja de maíz pretratada es de 65% y 35% respectivamente.
Parte de los residuos generados en la producción de maíz es la tusa y está también se puede
implementar como materia prima para la generación de otras sustancias, para el caso específico,
la tusa de maíz fue pre tratada mecánicamente hasta alcanzar un tamaño de partícula de 8-10mm,
posterior a esto fue sometida a 80°C por 24h hasta alcanzar peso seco, luego se sometió a co-
pirolisis con aceite residual de cocina a diferentes proporciones en masa y diferentes temperaturas
para determinar cuáles son las condiciones óptimas para la producción de biogás, bio-aceite y
biochar (denominado también como biocarbón, producto de grano fino y poroso similar en
apariencia al carbón vegetal. Se produce a partir de la transformación de distintos tipos de biomasa
mediante la técnica denominada pirolisis), encontrando que las temperatura indicada para la co-
21
pirolisis es de 550°C y la proporción en masa más apropiada es de 1:1, generando 32,78 MJ/kg
de energía para el caso de bio-aceite, 24,96 MJ/kg de energía para el caso del bio-char y 16,06
MJ/Nm3 de energía para el caso del biogás (G. Chen et al., 2014).
Los residuos de tusa de maíz también fueron implementados para la producción de L-
asparaginasa de bajo peso molecular, esta fue producida a partir de 0,2% (w / v) de lactosa, 0,1%
(w / v) de nitrato de sodio, 6% (w / v) de polvo de tuza de maíz pre tratada y 4% (v / v) de
suspensión bacteriana KK2S4 en 50 mL de medio de cultivo MM9 a pH 5 y 40 °C, el
pretratamiento que se le dio a la tusa de maíz en principio fue su secado al sol por dos semanas,
posteriormente se redujo el tamaño de partícula por medios mecánicos y se sometió a hidrólisis
alcalina con hidróxido de sodio al 2 N por una noche, luego se ajustó el pH a 7 y se filtró, estando
listo el residuo para su implementación en la producción de L- asparaginasa que es implementada
para el tratamiento de la leucemia linfoblástica aguda (Makky, Loh, & Karim, 2014).
Otros estudios apuntan a la estandarización de procesos por medio del análisis estadístico de
las variables inherentes a estos y el rendimiento del producto de interés, para el caso específico, se
observaron estudios donde se evalúan las condiciones óptimas de funcionamiento de
pretratamientos hidrotérmicos y alcalinos implementando microondas, dentro de los residuos de
cosecha o agroindustriales, los más implementados son las pajas de los cereales de más demanda
tanto a nivel local, nacional como internacional, dentro de los cuales se encuentra, arroz, sorgo y
trigo entre otros, además de la implementación de residuos producto de la siembra y cosecha de
cereales también se utilizaron productos de consumo humano como lo es el caso específico de la
harina de maíz.
Dentro de las variables a evaluar se encontró (estas dependen única y exclusivamente de los
intereses y propósitos de cada investigación) de forma general, tamaño de partícula de la materia
22
prima (TP), intensidad de la radiación (IM), tiempo de irradiación (TI), concentración del sustrato
(CS) y para el caso de la implementación de ácidos o álcalis, concentración de los mismos ([ ]),
algunos estudios omiten la temperatura a la cual se desarrollan los ensayos, dándole muchas más
relevancia a los cambios de intensidad de las microondas, mientras que otros autores dan más
relevancia a los cambios de temperatura, a continuación en las tablas 1 y 2 se presenta un resumen
de algunos de los estudios que se han hecho con respecto a pretratamientos hidrotérmicos y
alcalinos implementando microondas:
23
Tabla 1. Antecedentes pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.
IM: Intensidad de las microondas, TI: Tiempo de irradiación, CS: Concentración de sólidos, T: Temperatura.
Pretratamiento hidrotérmico asistido con microondas
Residuo IM (W) TI
(min) CS g/L T (°C) Tratamiento Resultados Ref
Paja de arroz 320-680 20-30 60-90 - Sacarificación
enzimática
Variables que presentaron mayor
rendimiento: IM: 680, TI: 24 y
CS: 75.
(Ma, Liu,
Chen, Wu, &
Yu, 2009)
Paja de cebada,
de trigo en
primavera, de
trigo en invierno
y de avena
- 15 - 200-
300
Digestión
aeróbica
Pretratamiento con microondas no
mejora la digestibilidad, aumentos
en la temperatura generan bajos
niveles de biogás, se recomiendo
pretratamiento mecánico
(Sapci,
2013)
Harina de maíz
(no es un
residuo)
80 1-10 - 96
Sacarificación
y fermentación
simultanea
Pretratamiento de microondas
aumento la producción de etanol
por medio de SSF en un 2%
aproximadamente
(Nikolić,
Mojović,
Rakin, Pejin,
& Pejin,
2011)
24
Tabla 2. Antecedentes pretratamiento alcalino asistido por microondas
Pretratamiento alcalino con microondas
Residuo IM (W) TI
(min) CS g/L T (°C) [ ]%
TP
(mm) Tratamiento Resultados Ref
Bagazo se
sorgo - 60 15 100-160
28
(1:0,5:8)
(NH4OH)
9,5-18
4-6
1-2
Hidrólisis
enzimática y
fermentación
Variables que
presentaron
mayor
rendimiento:
TP:1-2, T:130
(C. Chen,
Boldor, Aita,
& Walker,
2012)
Residuos de
planta de
algodón
100-600 0-7 0,5-5 - 0,5-5 0,6-1 Sacarificación
enzimática
Variables que
presentaron
mayor
rendimiento:
IM: 300, TI:6 y
TP: 1.
(Vani et al.,
2012)
Paja de trigo N.R N.R N.R - N.R
NaOH -
Sacarificación
y fermentación
simultanea
Variables que
presentaron
mayor
rendimiento:
IM:1000, TI:15
y [NaOH]:10g/L
(Xu et al.,
2011)
Cascaras y
paja de
arroz
500-700 10-30 5-50 - 0,5-5 0,2-1
Sacarificación
y fermentación
simultanea
Variables que
presentaron
mayor
rendimiento:
TI:22.50, CS:30
y [Alcali]:2,75
(Singh,
Tuteja,
Singh, &
Bishnoi,
2011)
IM: Intensidad de las microondas, TI: Tiempo de irradiación, CS: Concentración de sólidos, T: Temperatura, [ ] %: Concentración, TP: tamaño de partícula.
25
Como se observa en la tabla 1 y 2, los pretratamientos hidrotérmicos asistidos con microondas
se implementan de forma amplia tanto en residuos como en materias primas no residuales, algunos
autores prefieren evalúan la correlación entre la intensidad de la irradiación frente a la los
resultados obtenidos, mientras que otros evalúan la correlación de la temperatura frente a los
resultados obtenidos, se observa que no se tiene rangos de temperatura ni tiempo que se puedan
describir como homogéneos, además de esto se observa que algunos pretratamiento se desarrollan
en seco, por lo tanto no se tiene en cuenta la concentración de biomasa y no se le aplica a la misma
algún pretratamiento mecánico, sin embargo si lo recomiendan.
1.2. Justificación
Durante las dos últimas décadas se han desarrollado diferentes métodos para disminuir los
problemas medioambientales generados por los residuos de cosecha y los agro industriales ya que
estos desmejoran la calidad de los suelos y contaminan las aguas superficiales y subterráneas
(Saval, 2012). Para menguar este fenómeno se ha implementado la biomasa residual como materia
prima para la producción de compuestos de interés económico y energético como lo son el
biodiesel, etanol, metano, derivados de furfural e incluso algunas investigaciones apuntan en la
actualidad al desarrollo de hidrogeno (Hendriks & Zeeman, 2009).
La conversión de biomasa residual ha adquirido gran importancia en cuanto a su transformación
a compuestos de interés energético ya que el consumo de energía es directamente proporcional al
crecimiento poblacional mundial y por ende va en aumento. Debido a que gran parte de esta
energía es suministrada por recursos renovables a muy largo plazo como lo son los combustibles
fósiles (petróleo, gas natural y carbón), se estima una disminución del 80% en la producción
26
mundial anual de barriles de petróleo para el 2050 (Jeong & Lee, 2015) por lo tanto se hace
necesario encontrar alternativas auto sostenibles de energía.
Según estudios del ministerio de minas y energía, Colombia produce alrededor de 71.943.813
toneladas por año (Escalante et al., 2011) de biomasas residual producto de la actividad agrícola,
por ende se hace pertinente el aprovechamiento energético de la misma, mediante el desarrollo de
protocolos que den como resultado su máximo aprovechamiento, dando así una mejor disposición
final a los residuos y generando productos de valor comercial y energético.
27
2. Hipótesis
El pretratamiento alcalino asistido con microondas permitirá extraer una cantidad superior de
azúcares ya que la base no solubiliza la fracción que corresponde a lignina, dando mejor acceso a
los azúcares estructurales mientras.
3. Objetivos
3.1. General
Evaluar la extracción de azúcares hidrolizables de la biomasa residual (tallo) proveniente de la
cosecha de maíz, implementando pretratamientos de hidrólisis alcalina e hidrotérmico asistida con
microondas.
3.2. Específicos
i. Caracterizar la biomasa residual (tallo) proveniente de la cosecha de maíz para determinar
si cumple con las condiciones adecuadas para su implementación como precursor de
compuestos de interés.
ii. Implementar los pretratamientos alcalino e hidrotérmico asistidos con microondas para
evaluar cómo reacciona la biomasa residual (tallo de maíz) a diferentes condiciones de
temperatura, tiempo y concentración.
iii. Evaluar por medio de la cromatografía líquida de alta eficiencia cuál de los dos
pretratamientos implementados permite extraer una mayor cantidad de azúcares
estructurales de la biomasa residual proveniente del cultivo de maíz (tallo).
28
4. Marco teórico
4.1. Residuos agrícolas de cosecha e industriales
Se denomina como biomasa residual al sub producto que queda después de la obtención del
producto primario de las actividades agrícola, pecuaria y forestal, de este modo se reconocen dos
tipos de residuo denominados RAC (residuo agrícola de cosecha) y RAI (residuo agrícola
industrial) los cuales son utilizados como precursores de productos de interés económico y
energético, ejemplo de esto es la implementación de los RAC y RAI producto de la siembra y
cosecha de cereales tanto primarios como secundarios (Escalante et al., 2011; Saval, 2012).
Dentro de los cereales secundarios, uno de los más importantes y de mayor producción tanto a
nivel mundial como a nivel nacional es el maíz, por lo cual la producción de residuos a partir de
este es de gran proporción si se tiene en cuenta que el producto de interés es el grano como tal,
muestra de esto es el factor de residuo del rastrojo de maíz que tiene un valor de 0,93 lo que quiere
decir que una producción anual de 1’368.996 toneladas de maíz genera 1’278.642 tonelada de
biomasa residual para el caso específico del año 2006 según el anuario estadístico del sector
agropecuario y centros de investigación y federaciones relacionadas, en Colombia (Escalante et
al., 2011).
4.2. Biomasa residual y su composición
Los RAC y RAI siendo biomasa vegetal está compuestos principalmente de celulosa,
hemicelulosa y lignina. La celulosa es un homopolisacarido de alto peso molecular constituido por
sub unidades de D-glucosa que están unidas por medio de enlaces glicosídicos β-1,4 formando
estructuras cristalinas amorfas y fibras, la hemicelulosa es un heteropolisacárido de peso molecular
más bajo que la celulosa, está constituido tanto por pentosas (xilosa y arabinosa) como hexosas
29
(manosa, glucosa y galactosa) y ácidos de azúcar (ácido glucurónico y ácido ferúlico) que están
unidas por medio de enlaces glicosídicos β-1,4, la hemicelulosa que se encuentra presente en
maderas duras contiene principalmente xilano, es decir su estructura cuenta esencialmente con
xilosa mientras que las maderas blandas contiene principalmente glucomanano, es decir su
estructura cuenta esencialmente con manosa (Saha, 2003), siendo su función principal dar
consistencia a la biomasa y la lignina que es un heteropolímero amorfo formado por tres sub
unidades derivadas del fenilpropano como lo son alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y
alcohol sinapílico, la función principal de este es darle soporte estructural a la biomasa, además de
esto es impermeable, brinda protección contra ataques microbianos y estrés oxidativo (Hendriks
& Zeeman, 2009).
4.3. Tipos de pretratamiento y su función
Para la transformación de la biomasa residual en materia prima de otros productos de interés es
necesario realizar algún tipo de pretratamiento que permita ampliar la accesibilidad a los azúcares
presentes tanto en la celulosa como en la hemicelulosa y su separación de la lignina, además de lo
ya mencionado el pretratamiento debe dar como resultado un rendimiento elevado en cuanto a la
hidrólisis de azúcares y debe ser energética y económicamente sostenible (Binod & Pandey,
2015), dentro de los factores que limitan la hidrólisis de los azúcares se encuentra la complejidad
de la estructura cristalina de la celulosa, el grado de polimerización, contenido de humedad,
superficie de contacto disponible y contenido de lignina en la biomasa (Hendriks & Zeeman,
2009). Dentro de los pretratamientos que se pueden llegar a implementar para lograr una hidrólisis
efectiva en la biomasa, se pueden encontrar pretratamientos físicos (mecánico, hidrotérmico,
30
microondas), químicos (ácido, básico y oxidativo), físico y químico (termoquímico) y biológico
(microorganismos) (Binod & Pandey, 2015; Hendriks & Zeeman, 2009).
4.4. Pretratamientos físicos
En la actualidad se podría suponer que el pretratamiento mecánico es indispensable a la hora
de optimizar la obtención de azúcares hidrolizables de los RAC y RAI, este pretratamiento consta
de la disminución del tamaño de partícula de la biomasa por medios mecánicos, esto disminuye el
grado de polimerización y aumenta la superficie de contacto disminuyendo los tiempos de
digestión (biotransformación) y aumentando el rendimiento en la obtención de azúcares
hidrolizados, los pretratamiento hidrotérmico son considerados como tecnología verde ya que
estos implementan únicamente agua e incremento en la temperatura, por lo general estos proceso
se desarrollan en rangos de temperatura de 160 a 240°C ya que a estas temperaturas se hidroliza
la celulosa y la hemicelulosa, y a temperaturas superiores se podría llegar a dar procesos de
pirolisis, se tiene como generalidad que a temperaturas bajas el proceso tiene un tiempo de
duración prolongado y a temperaturas altas se tienen un tiempo de duración bajo, esto con el fin
de evitar la formación de sustancia inhibidoras del proceso como lo son los compuestos
heterocíclicos y fenólicos (vainillina, alcohol vainillinico, furfural y HMF) (Hendriks & Zeeman,
2009; Jeong & Lee, 2015).
4.5 Pretratamientos químicos
Dentro de los pretratamientos químicos se encuentra la hidrólisis por medio de la
implementación de ácidos ya sea orgánicos o minerales y la implementación de bases, este tipo de
hidrólisis se puede desarrollar tanto a altas concentraciones como a bajas concentraciones y a
31
temperatura ambiente o bajo condiciones térmicas controladas, por lo general el pretratamiento
con ácido mineral concentrado se desarrolla a concentraciones no superiores a 30% m/v y a
temperatura ambiente o inferior a 100°C para evitar la formación de inhibidores, cuando el
pretratamiento se desarrolla a concentraciones bajas, los rangos por lo general son de 0.5 a 5% m/v
y temperaturas de 120 a 215°C, dentro de las desventajas que se presentan en este tipo de
pretratamientos se encuentran la formación de inhibidores, alto costo, recuperación del ácido,
contaminación e implementación de sustancias básicas para la neutralización de residuos y por lo
tanto la generación de subproductos (Jung & Kim, 2015). Los pretratamiento alcalinos se
desarrollan a temperaturas y concentraciones menores que las vistas en los pretratamientos ácidos,
por lo general se llevan a cabo a temperaturas máximas de 180°C y concentraciones muy bajas,
algunos reportan concentraciones mínimas hasta de 0,01g de álcali sobre g de biomasa y
concentraciones máximas de 15% m/m, dentro de las ventajas que presenta este tipo de
pretratamiento es la eliminación de lignina ya que esta no se hidroliza como ocurre en el caso de
pretratamientos ácidos y como desventaja se observa un aumento considerable en el tiempo de
duración del proceso (Sindhu, Pandey, & Binod, 2015).
4.6. Implementación de microondas como pretratamiento
En la actualidad también se implementan tecnologías como las microondas a modo de
pretratamiento, estas son ondas electromagnéticas que van desde 0.01 a 1 m de longitud y cuentan
con frecuencias que van desde 0.03 a 300 GHz, la materia al interactuar con dichas ondas,
responde de manera diferente dependiendo de su naturaleza, por lo cual se puede clasificar la
materia en tres categorías distintas, la primera, materia que es capaz de absorber las microondas,
la segunda, materia conductora que por lo general corresponde a metales en los cuales las
32
microondas no pueden penetrar y por ultimo materia aislante, en la cual las microondas no generan
ningún estímulo pasando de largo como es el caso del cuarzo (Motasemi & Afzal, 2013).
La materia que es capaz de absorber este tipo de radiaciones sufre de efectos térmicos los cuales
son aprovechados para mejorar la accesibilidad a los componentes de la biomasa residual, por lo
general este tipo de pretratamiento implementa agua como medio pero las microondas también se
pueden implementar en conjunto con pretratamientos químicos, como lo son la hidrólisis ácida,
alcalina y otras hidrólisis con líquidos iónicos y sales, dentro de las variables que se deben
controlar se tienen, concentración, presión, temperatura, tiempo de duración y potencia en W entre
otras, se aclara además que dichas variables dependen en su totalidad de la naturaleza del aparato
en el cual se desarrollen los pretratamientos (Xu, 2015).
33
5. Metodología
El tipo de investigación que se desarrolló es de carácter cuantitativo ya que una de las
finalidades fue determinar qué cantidad de azúcares hidrolizables se pueden llegar a extraer por
medio de la implementación de dos pretratamientos diferentes, pretratamiento hidrotérmico
asistido por microondas y pretratamiento alcalino asistido por microondas, con el fin de identificar
cuál de estos se presta para la óptima implementación de residuos de cosecha como materias
primas de otros productos.
5.1. Preparación de la muestra para análisis composicional
El residuo de cosecha que se seleccionó para el desarrollo de la investigación es la caña de
maíz ya que es uno de los granos de más siembra en el mundo y por lo tanto uno de los que más
genera biomasa residual, las muestras serán obtenidas de un cultivo auto sostenible ubicado en la
ciudad de Bogotá en la localidad de Tunjuelito; en pos cosecha. Dentro de los análisis que se
desarrollaron, en primera medida se realizó la caracterización del residuo de cosecha, para dicho
procedimiento se preparó la muestra, implementó la norma ASTM E 1757 – 01 (Standard practice
for preparation of biomass for compositional analysis) (ASTM, 2011), en la cual se especifica que
antes de desarrollar cualquier tipo de procedimiento analítico es necesario reducir el contenido de
humedad a menos del 10 % y reducir el tamaño de partícula por medio de métodos mecánicos,
tamizar y seleccionar un tamaño de partícula adecuado para el desarrollo de los análisis posteriores,
la selección de un tamaño de partícula adecuado es opcional.
34
5.2. Determinación de porcentaje de humedad y sólidos totales
Seguidamente se desarrolló la determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y
cenizas, los dos primeros procedimientos se desarrollaran implementando el protocolo NREL/TP-
510-42621 (Determination of total solids in biomass and Total dissolved solids in liquid process
samples) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Hyman, et al.,
2008), en primera medida se tiene que tarar los crisoles o los recipientes que se implementaran en
el ensayo, después de lavados y secados se marcan los crisol y se pesan, luego se someten en un
estufa de convección a una temperatura de 105°C ± 3°C por un mínimo de tiempo de 4 horas, se
dejan enfriar en el desecador, se pesan y se calientan de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se
repite el procedimiento hasta alcanzar masa constante.
Posterior a esto se pesó una cantidad de muestra entre 0.5 g a 2 g, se añade la cantidad
seleccionada a los crisoles previamente tarados, se pesaron y luego se someten a calentamiento en
una estufa de convección a 105°C ± 3°C por un tiempo mínimo de 4 horas, se dejaron enfriar en
el desecador, se pesaron y se calentó de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repite el
procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a
±0,1%, posterior a esto se desarrollaron los cálculos.
5.3. Determinación de cenizas
Para la determinación de cenizas en la biomasa seleccionada se implementó el protocolo
NREL/TP-510-42622 (Determination of ash in biomass) propuesto por la National Renewable
Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008), se procedió a tarar los crisoles a
implementar en el ensayo, después de lavados y secados se marcaron y se pesaron, luego se
sometieron en la mufla a una temperatura de 575°C ± 25°C por un mínimo de tiempo de 4 horas,
35
se dejaron enfriar en el desecador, se pesaron y se calentaron de nuevo a 575°C ± 25°C por una
hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante. Posterior a esto se pesó una
cantidad de muestra entre 0.5 g a 2 g, se añadió la cantidad seleccionada a los crisoles previamente
tarados, se pesaron, se determinó la cantidad de humedad como se mostró en protocolos anteriores,
esto para asegurar que los cálculos de ceniza se desarrollen en base a peso seco de muestra y
eliminar interferencias posibles por contenido de humedad, luego la muestra deshidratada se
sometió a calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo mínimo de 24 ± 6 horas, se
dejó enfriar en el desecador, se pesó y se calentó de nuevo a 575°C ± 25°C por una hora, se repite
el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a
±0,1%, posterior a esto se desarrollan los cálculos.
5.4. Análisis orgánico elemental (OEA)
Dentro de los análisis implementados también se desarrollara un análisis orgánico elemental en
donde se determinara el contenido de C, H, N, S y O, este análisis se llevó a cabo por medio del
equipo de OEA THERMO FLASH 2000 de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
5.5. Determinación de extractivos
La determinación de extractivos se desarrolló por medio del protocolo NREL/TP-510-42619
(Determination of Extractives in Biomass), propuesto por la National Renewable Energy
Laboratory (A. Sluiter, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter & Templeton, 2008), para el caso se
procedió a tarar los balones del equipo Soxhlet, dicho procedimiento se desarrolló de igual forma
como se taran los crisoles en la determinación de sólidos totales y humedad, posteriormente se
insertó de 2 a 10 g de biomasa en un dedal tarado, se desarrollaron dos extracciones exhaustivas,
36
la primera añadiendo 190 ± 5 mL de agua destilada procurando mantener una temperatura que
permita ciclos de 4 a 5 sifones por hora, manteniéndose de 6 a 24 horas, se retiró el balón con la
fracción acuosa y se realizó una nueva extracción a la misma biomasa añadiendo a un nuevo balón
190 ± 5 mL de etanol, se ajustó la temperatura adecuada que permitiera ciclos de 6 a 10 sifones
por hora, manteniéndose de 16 a 24 horas, se dejó enfriar a temperatura ambiente, se lavado en
frio con un aproximado de 100 mL de etanol para luego rotaevaporar ambas extracciones, se pesó
los sólidos obtenidos para luego determinar el % de extraíbles.
5.6. Determinación de azúcares estructurales, lignina soluble e insoluble
Para la determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble e insoluble en biomasa se
implementó el protocolo NREL/TP-510-42618 (Determination of Structural Carbohydrates and
Lignin in Biomass) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames,
Ruiz, & Scarlata, 2008), en este caso se procedió inicialmente a tarar crisoles con filtro de igual
forma que se procedió en la determinación de cenizas, posterior a esto se pesaron 300 ± 10 mg,
se determinó sólidos totales y humedad para asegurar que la determinación de lignina no se vea
afectado por el contenido de humedad de la muestra, es decir el análisis se hace en base a peso
seco, se añadió 3 ± 0,01 mL de H2SO4 al 72% m/m y se mantuvo en agitación constante con un
agitador de vidrio por un minuto, luego se sometió a baño María durante 60 ± 5 min a una
temperatura de 30°C ± 3°C agitando cada 5 a 10 min, luego se procedió a diluir la solución
añadiendo 84 ± 0,04 mL de agua desionizada, se homogenizo y se embalo correctamente para
someter a autoclavado por una hora a 121°C, el sólido restante se filtró implementado los crisoles
anteriormente tarados, (la solución de hidrólisis se guardó en un Erlenmeyer) se determinó
humedad y cenizas como se hizo en protocolos anteriores y luego se procedió a desarrollar los
37
cálculos según el protocolo para la determinación de lignina insoluble, para la determinación de
lignina soluble se implementó la espectrofotometría uv-visible, midiendo la absorbancia a la
solución de hidrólisis a 320 nm y desarrollando el algoritmo según el protocolo. El sobrenadante
producto de la filtración se tiene que guardar para posterior cuantificación de los azúcares
estructurales por medio de cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC), posteriormente se
mencionará en detalle que azúcares se cuantificaron, como se desarrollan las curvas de calibración
y cuáles son los parámetros para el desarrollo de la misma.
5.7. Determinación del poder calórico
Para la determinación del poder calórico de la biomasa se implementó un calorímetro IKA
C2000 de Universidad Distrital Francisco José de Caldas, para este caso se tomó un aproximado
de 1 g de biomasa, por medio de una prensa se le dio forma de dedal, se pesó nuevamente, se
introdujo en el dedal de cuarzo el cual se insertó de forma delicada en el reactor de combustión y
posteriormente se programó el equipo para desarrollar el respectivo análisis.
5.8. Selección de variables, desarrollo de pretratamientos, hidrólisis y cuantificación
Posterior a la caracterización se procedió a desarrollar los pretratamientos seleccionados,
pretratamiento alcalino e hidrotérmico asistidos con microondas, teniendo en cuenta las diferentes
varíales que estos conllevan como son concentración, presión, temperatura, tiempo de duración y
potencia en W entre otras, se hace la salvedad, las variables son susceptibles a la naturaleza del
equipo implementado, en este caso, equipo de microondas Discover SP de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas. Posterior a la selección de los tratamientos y la determinación de las
variables inherentes al proceso, se seleccionaron valores máximos y mínimos teóricos de las
38
variables por medio de una revisión bibliográfica, esto con el fin de desarrollar los 16 ensayos para
el pretratamiento alcalino y 9 ensayos para el pretratamiento hidrotérmico entre los rangos
establecidos. Luego se cuantificó la cantidad de azúcares producto de la hidrólisis de la celulosa y
la hemicelulosa en los 25 ensayos, para esto se implementara la metodología sugerida en el
protocolo NREL/TP-510-42618 (Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in
Biomass) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, &
Scarlata, 2008), la cuantificación se realizara por medio de HPLC utilizando estándares de los
azúcares presentes en la biomasa, en este caso, D-celobiosa, D (+) glucosa, D (+) xilosa, D (+)
galactosa, L (+) arabinosa y D (+) manosa, se desarrollaron curvas de calibración con dichos
estándares, a las concentraciones recomendadas por la NREL, entre 0,1 mg/mL y 4 mg/mL. Las
columnas implementadas durante los análisis pueden ser de varios tipos entre los que se pueden
encontrar la SP0810 Shodex sugar y la Aminex HPX-87P. La fase móvil se compone de agua tipo
HPLC filtrada a 2μm y desgasificada, el volumen inyectado de muestra fue de 10-50μL, el caudal
de la fase móvil fue 0,6 mL/min, la temperatura de la columna estuvo en rangos de 80-85°C y el
tiempo de corrido de cada muestra fue de 35 min.
5.9. Diseño experimental y superficies de respuesta
Con los datos teóricos obtenidos de los valores máximos y mínimos de las variables en cada
pretratamiento y por medio del asistente de experimentos del software STATGRAPHICS
Centurion (XVI.I), se determinó las condiciones experimentales de cada ensayo, posterior al
desarrollo de estos, su hidrólisis y cuantificación, los datos experimentales se ingresaron
nuevamente al software para su tratamiento estadístico y diseño de superficies de respuesta, para
39
la determinación de los valores óptimos de operación y correlación de la variables por medio del
análisis ANOVA.
40
6. Cronograma de actividades
Tabla 3. Cronograma de actividades en meses.
Actividades Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6
Revisión bibliográfica
Recolección de la biomasa
Determinación de humedad
(muestra fresca)
Pretratamiento mecánico y tamizaje
de la muestra
Determinación de humedad
(muestra pre tratada)
Determinación de sólidos totales
Determinación de cenizas
Determinación de C, H, N, S y O
por medio de un equipo de OEA
Determinación de extractivos en
biomasa
Determinación de carbohidratos
estructurales, lignina soluble he
insoluble
Determinación del poder calórico
Revisión bibliográfica para la
determinación de valores máximos
y mínimos de las variable
inherentes a los pretratamientos
Desarrollo de 16 ensayos por
pretratamiento dentro de los rangos
establecidos anteriormente
Cuantificación de azúcares
producto de la hidrólisis de celulosa
y hemicelulosa provenientes del
residuo de cosecha por medio de
HPLC
Diseño de superficie de respuesta
con los datos obtenidos en los dos
pretratamientos implementados
para determinar cuál es el que
ofrece más rendimiento y bajo qué
condiciones.
41
Capítulo 2. Caracterización inicial de la biomasa
7. resultados
7.1. Recolección y muestro
La biomasa que se implementó para el desarrollo de la investigación fue recolectada en un
cultivo auto sostenible ubicado en la localidad de Tunjuelito, específicamente en el parque
urbanización Santa Lucia, a continuación de muestra la ubicación exacta:
Ilustración 1. Ubicación del sitio de recolección (Sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia).
La recolección de la muestra se efectuó con autorización de la junta de acción comunal y los
miembros encargados del sostenimiento del cultivo, este se realizó el 02 de Abril de 2016 en horas
de la mañana y en pos cosecha, la biomasa recolectada según el encargado corresponde a maíz
porva, se procedió a desarrollar determinación taxonómica de la especie en el herbario nacional,
42
pero no fue posible, ya que en dicha institución los niveles taxonómicos para la biomasa en
cuestión solo llegan hasta Zea mays.
Ilustración 2. Cultivo de maíz.
Posterior a la recolección, se extrajo hojas, espiga y residuos de mazorca presentes en el tallo
para así continuar con la preparación de la muestra para el análisis composicional.
43
7.2. Preparación de la muestra para análisis composicional
Teniendo el tallo o caña de maíz listo para su preparación, se redujo el tamaño de partícula a 10
cm y se dejó secar a temperatura ambiente hasta que el porcentaje de humedad fue de 10% o
menos, luego se procedió a disminuir su tamaño de partícula por medio de un molino de mano.
Ilustración 3. Comparación entre caña de maíz desnuda y con hojas.
Ilustración 4. Disminución de tamaño de partícula por pretratamiento mecánico.
44
7.3. Determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y cenizas
Estas de terminaciones se desarrollaron como se menciona en la sección de metodología, sin
embargo se aclara que para el desarrollo, fue necesario efectuar los protocolos NREL/TP-510-
42621 (Determination of total solids in biomass and Total dissolved solids in liquid process
samples) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Hyman, et al.,
2008) y NREL/TP-510-42622 (Determination of ash in biomass) propuesto por la National
Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008) en simultaneo, esto
para que los resultados tuvieran mayor validez, se desarrolló de esta forma ya que es lo
recomendado por la NREL.
En primera medida se lavaron, secaron y marcaron los crisoles implementados para el análisis,
luego se sometieron en un estufa de convección a una temperatura de 105°C ± 3°C por un mínimo
de tiempo de 4 horas, se dejaron enfriar en el desecador, se pesaron y se calentaron de nuevo a
105°C ± 3°C por una hora, se repite el procedimiento hasta alcanzar masa constante.
Tabla 4. Tarado de crisoles (Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas).
Tarado de crisoles
Crisoles Masa i (g) Masa f (g)
Crisol 1 14,756 14,755
Crisol 2 16,945 16,943
Crisol 3 19,935 19,932
Luego se añadió a cada crisol tarado una cantidad exacta de 1 g, se someten a calentamiento
en una estufa de convección a 105°C ± 3°C por un tiempo mínimo de 4 horas, se dejó enfriar en
el desecador, se pesó y se caliento de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repitió el procedimiento
hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a ±0,1%, luego la
muestra deshidratada se sometió a calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo
45
mínimo de 24 ± 6 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se calentó de nuevo a 575°C ±
25°C por una hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la
pérdida de masa es inferior a ±0,1%, posterior a esto se desarrollan los cálculos como se muestra
a continuación:
46
Tabla 5. Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas.
Tabla 6. Desviación estándar del % de humedad.
% Humedad
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
8,8 1 8,8 77,44
0,002 0,047
8,8 1 8,8 77,44
8,7 1 8,7 75,69
Promedio Sumatoria
8,77 230,57
Crisoles Masa i
(g)
Masa +
muestra
(g)
Masa inicial
muestra (g)
Masa + muestra
105°C (g)
Masa
pérdida (g)
%
Humedad
M restante
(g) % S T
Masa + muestra
573°C (g)
% s
orgánicos % cenizas
Crisol 1 14,755 15,755 1,000 15,667 0,088 8,8 0,912 91,2 14,799 95,175 4,825
Crisol 2 16,943 17,943 1,000 17,855 0,088 8,8 0,912 91,2 16,988 95,066 4,934
Crisol 3 19,932 20,932 1,000 20,845 0,087 8,7 0,913 91,3 19,977 95,071 4,929
0,088 8,8 91,2 95,104 4,896
47
Tabla 7. Desviación estándar del % de sólidos totales.
% Sólidos totales
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
91,2 1 91,2 8317,44
0,002 0,047
91,2 1 91,2 8317,44
91,3 1 91,3 8335,69
Promedio Sumatoria
91,2 24970,57
Tabla 8.Desviación estándar del % cenizas.
% Cenizas
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
4,825 1 4,825 23,276
0,0025 0,05
4,934 1 4,934 24,346
4,929 1 4,929 24,293
Promedio Sumatoria
4,896 71,915
48
7.4. Análisis orgánico elemental (OEA)
La determinación de OEA se desarrolló por medio del equipo OEA THERMO FLASH 2000,
en este caso se tomó una masa exacta del material a analizar se corrió en el equipo y se comparó
con una serie de estándares previamente corridos, de este modo se identificó que porcentaje de C,
H, O, N y S están presentes en la muestra. En este caso no se determinó contenido de O ya que no
se contaba con la fracción del aparato que efectúa el análisis
Tabla 9. Análisis orgánico elemental.
En este caso el análisis se desarrolló para determinar el porcentaje de proteína presente en la
muestra, esto se logra multiplicando el porcentaje de nitrógeno por el factor de nitrógeno específico
para el residuo (FN= 0,46). Se concluye entonces que la muestra no contiene nitrógeno.
49
7.5. Determinación de extractivos en biomasa
Para el desarrollo de este análisis se pesó 5,02 g de biomasa residual, se introdujo en un dedal
de celulosa y se puso a reflujo en un equipo de extracción Soxhlet previamente tarado, en este caso
se tararon solo los balones:
Tabla 10. Tarado de balones (Determinación de % de extraíble).
Balón Mi (g) Mii (g)
Duran 250mL 107,880 107,880
Lab Scient 250mL 147,143 147,143
La extracción en fase acuosa se desarrolló de la siguiente forma, se añadió 190 ± 5 mL de agua
destilada en el balón (Duran) procurando mantener una temperatura que permitiera ciclos de 4 a
5 sifones por hora, manteniéndose de 6 a 24 horas, se retiró el balón con la fracción acuosa y se
realizó una nueva extracción a la misma biomasa añadiendo a un nuevo balón (Lab Scient) 190 ±
5 mL de etanol, se ajustó la temperatura adecuada que permitió ciclos de 6 a 10 sifones por hora,
manteniéndose de 16 a 24 horas, se dejó enfriar a temperatura ambiente, se desarrolló un lavado
en frio con un aproximado de 100 mL de etanol para luego rotaevaporar ambas extracción, se pesó
los sólidos obtenidos para luego determinar el % de extraíbles:
𝑂𝐷𝑊 (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎) =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑥 % 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠
100
% 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 =𝑀𝑎𝑠𝑎𝑏𝑎𝑙𝑜𝑛+𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑏𝑎𝑙𝑜𝑛
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥 100
50
Ilustración 5. Extracción Soxhlet.
Terminadas las extracciones, se procedió a rotaevaporar para determinar cuál es la masa restante
y calcular mediante los algoritmos mostrados anteriormente el porcentaje de extraíbles:
Ilustración 6. Producto del rotaevaporado de la extracción acuosa.
51
Ilustración 7. Producto del rotaevaporado de la extracción etanolica.
Masa resultante de las extracciones acuosa y etanolica:
Tabla 11. Masa de extraíbles.
Balón Mi (g) Mii (g) Mf (g)
Duran 250mL 107,880 108,102 0,222
Lab Scient 250 mL 147,143 148,584 1,441
Corrección de masa en peso seco de la muestra:
𝑂𝐷𝑊𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 =5,02 𝑔 𝑋 91,23%
100= 4,58𝑔
Determinación de % de extraíbles:
% 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑏𝑙𝑒𝑠 = (108,102 + 148,584) − (107,880𝑔 + 147,143𝑔)
4,58𝑔𝑋100 = 36,310%
52
Según los resultados obtenidos se puede observar un contenido importante de material no
estructural en comparación a lo reportado en otros estudios donde el contenido es 12,20 %
(Buruiana et al., 2014), esto se puede deber a que los métodos de extracción implementados fueron
distintos, para el caso de Bruiana el protocolo implementado era para maderas y no para residuos
de cosecha, se desarrolló una sola extracción con mezcla de solventes por un periodo de tiempo
corto.
La masa de extraíbles corresponde a material orgánico e inorgánico soluble, minerales, restos
de fertilizantes y azucares no estructurales cuantificables.
7.6. Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble
Para la determinación de sólidos estructurales se tomó como muestra inicial la biomasa libre de
extractivos, esta se dejó secar al aire libre por 8 días y posteriormente se determinó contenido de
humedad, este procedimiento se desarrolló mediante metodologías descritas en secciones
anteriores. Tomando como masa inicial alrededor de 1 g de analito, dichos análisis se desarrollaron
por triplicado como sigue:
Tabla 12. Tarado de crisoles (Preparación de analito para determinación % de lignina).
Tarado de crisoles
Crisoles Masa i (g) Masa f (g)
Crisol 1 17,587 17,567
Crisol 2 14,720 14,684
Crisol 3 12,692 12,657
53
Tabla 13. Determinación de humedad para determinación % de lignina.
Crisoles Mi (g)
Mm
(g)
Mi +Mm
(g) Mi+Mm 105°C (g) Masa pérdida (g) % Humedad
Crisol 1 17,567 0,999 18,566 18,503 0,063 6,306
Crisol 2 14,684 1,000 15,684 15,623 0,061 6,100
Crisol 3 12,657 1,004 13,661 13,598 0,063 6,275
0,062 6,227 Mi: Masa del crisol tarado, Mm: Masa de la muestra.
Luego se tararon crisoles Gosh para desarrollar la determinación de lignina por triplicado:
Tabla 14. Tarado de crisoles Gosh (Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble.)
Tarado de crisoles Gosh
Crisoles Masa i (g) Masa f (g)
Crisol 1 21,363 15,237
Crisol 2 23,709 16,877
Crisol 3 22,326 15,965
Se pesó en una balanza analítica 300 mg ± 10 mg en un Erlenmeyer de 100 mL, se añadió 3 ±
0,01 mL de H2SO4 al 72% m/m, se agito por aproximadamente un minuto, luego se sometió a
baño María durante 60 ± 5 min a 30°C ± 3°C, en seguida se agregó 84 ± 0,04 mL de H2O
desionizada y se sometió a autoclavado (All-American modelo 25X-1) por 1 hora a 121°C, se
filtró en los crisoles Gosh de forma cuantitativa y se almaceno el sobrenadante en viales de 10 mL
para su posterior análisis, a la fracción sólida se determinó contenido de humedad y cenizas como
sigue, se sometió el sólido a calentamiento en una estufa de convección a una temperatura de
105°C ± 3°C por un mínimo de tiempo de 4 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se
calentaron de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repite el procedimiento hasta alcanzar masa
constante, posteriormente se calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo mínimo de
24 ± 6 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se caliento de nuevo a 575°C ± 25°C por
54
una hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de
masa es inferior a ±0,1%.
Recolectados los datos se resuelven los siguientes algoritmos para la determinación de
residuos insolubles en ácido (%AIR) y lignina insoluble en ácido (%AIL).
%𝐴𝐼𝑅 =𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 105°𝐶 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑥100
%𝐴𝐼𝐿 =(𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 105°𝐶−𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜)− (𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 575°𝐶−𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜)
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑥100
55
Tabla 15. Determinación de % de lignina insoluble.
Crisoles
Mc
(g)
Mm
(g)
Mc+Mm
(g) Mc+Mm 105°C (g) Mc+Mmuestra 573°C (g) %AIR % AIL
Crisol 1 15,237 0,300 15,537 15,292 15,239 18,333 17,667
Crisol 2 16,877 0,301 17,178 16,933 16,879 18,605 17,940
Crisol 3 15,965 0,300 16,265 16,020 15,967 18,333 17,667
18,423 17,758 Mc: Masa del crisol tarado, Mm: Masa de la muestra.
Tabla 16. Desviación estándar % AIR
% AIR
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
18,333 1 18,333 336,111
0,016 0,128
18,605 1 18,605 346,133
18,333 1 18,333 336,111
Promedio Sumatoria
18,423 1018,355
Tabla 17. Desviación estándar %AIL
% AIL
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
17,667 1 17,667 312,111
0,017 0,129
17,940 1 17,940 321,851
17,667 1 17,667 312,111
Promedio Sumatoria
17,758 946,073
56
Para la determinación de lignina soluble en ácido (sobrenadante), se implementó
espectrofotometría UV-visible, la lectura se desarrolló a 320 nm, valor recomendado por la NREL
exclusivamente para bagazo de maíz, se menciona también que se recomienda que la absorbancia
se encuentre entre 0,7 y 1,0, de no ser el caso se procede a diluir las muestras, el blanco de reactivo
que se implemento fue agua desionizada (recomendado por NREL).
Tabla 18. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible.
En este caso se desarrollaron diluciones con un factor de dilución de ½ obteniendo las siguientes
lecturas:
Tabla 19. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible diluido a ½
57
Para la determinación de lignina soluble en ácido (ASL) se implementa el siguiente algoritmo:
%𝐴𝑆𝐿 =𝑈𝑉𝑎𝑏𝑠 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑥 𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛
Ɛ 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑥 𝑃𝑎𝑠𝑜 ó𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑥 100
𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 + 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
Desarrollando el algoritmo se tiene que:
Volumen de la muestra según protocolo 86,73 mL
Paso óptico en cm: 1
Disolución: 2
Ɛ según protocolo 30 L/ g X cm
%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 1 =0,7468𝑋0,08673 𝐿𝑋2
30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚 𝑋100 = 1,58%
%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 2 =0,7337𝑋0,08673 𝐿𝑋2
30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚𝑋100 = 1,55%
%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 3 =0,6754𝑋0,08673 𝐿𝑋2
30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚𝑋100 = 1,43%
58
Tabla 20. Desviación estándar % ASL.
% ASL
xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2
1,58 1 1,58 2,49
0,004 0,066
1,55 1 1,55 2,40
1,43 1 1,43 2,04
Promedio Sumatoria
1,52 6,93
Calculo de la cantidad total de lignina sobre una base libre de extractivos:
% 𝐿𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 = %𝐴𝐼𝐿 + % 𝐴𝑆𝐿
% 𝐿𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 = %17,758 + %1,52 = 19,278%
En este caso el contenido de lignina se encuentra cercano a los valores reportados por estudios
que implementaron el mismo residuo de cosecha, 18,49 % (Buruiana et al., 2014), las diferencias
que se observan con respecto a otros estudios podrían ser por la implementación de diferentes
métodos para las determinaciones, características propias de la biomasa en estudio y características
de las condiciones climáticas donde se desarrolló el cultivo.
La determinación de azúcares estructurales se desarrolló mediante su cuantificación por HPLC,
en secciones posteriores se mostrara a detalle cómo se desarrollaron las curvas de calibración,
tiempos de retención de los diferentes estándares (xilosa, galactosa, manosa glucosa, celobiosa y
arabinosa), así como el equipo implementado y las condiciones de operación del mismo, por lo
59
pronto se mostraran los cromatogramas y el contenido de azúcares en g/L por cada 300 mg ± 10
mg de biomasa residual libre de extractivos sometida a hidrólisis ácida.
Para la cuantificación se implementaron dos curvas de calibración, como se explica a
continuación.
Ilustración 8. Cuantificación de azúcares estructurales (Xilosa-Glucosa)
60
Para este caso la cuantificación se desarrolló por medio de una curva de calibración de xilosa,
arabinosa, glucosa y galactosa, el volumen de inyección fue de 20 µL y se implementó un factor
de dilución de 1/5, por lo cual la concentración real corresponde a:
𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,147 𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 0,735𝑔 𝐿⁄
𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =0,320 𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 1,600𝑔 𝐿⁄
Siendo la xilosa el principal componente de la hemicelulosa presente en el tipo de biomasa en
estudio y teniendo en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del sobrenadante
después de desarrollada la hidrólisis es de 86,73 mL sé tiene que el total de hemicelulosa es:
𝐻𝑒𝑚𝑖𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,08673𝐿𝑥0,735𝑔
1𝐿= 0,064𝑔
Tomando en cuenta que la hidrólisis se desarrolló partiendo de una masa en peso seco de
biomasa 0,300 g se tiene que él porcentaje en masa de los azúcares estructurales corresponde a:
% 𝐻𝑒𝑚𝑖𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,064𝑔𝑥100%
0,300𝑔= 21,333%
61
Siendo la glucosa el principal componente de la celulosa presente en el tipo de biomasa en
estudio y teniendo en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del sobrenadante
después de desarrollada la hidrólisis es de 86,73 mL sé tiene que el total de celulosa es:
𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,08673𝐿𝑥1,6𝑔
1𝐿= 0,139𝑔
Tomando en cuenta que la hidrólisis se desarrolló partiendo de una masa en peso seco de
biomasa 0,300 g se tiene que él porcentaje en masa de los azúcares estructurales corresponde a:
% 𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,139𝑔𝑥100%
0,300𝑔= 46,333%
Sumando el contenido de xilosa y glucosa (2,335g/L) presente en el sobrenadante y teniendo
en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del mismo es de 86,73 mL sé tiene que el
total de azúcares en ese volumen es:
𝑎𝑧𝑢𝑐𝑎𝑟𝑒𝑠 = 0,08673𝐿𝑥2,335𝑔
1𝐿= 0,203𝑔
Tomando en cuenta que la hidrólisis se desarrolló partiendo de una masa en peso seco de
biomasa 0,300 g se tiene que él porcentaje en masa de los azúcares estructurales corresponde a:
% 𝑎𝑧𝑢𝑐𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠 = 0,203𝑥100%
0,300𝑔= 67,666%
62
Ilustración 9. Cuantificación de azúcares estructurales (Manosa)
Para este caso la cuantificación se desarrolló por medio de una curva de calibración de celobiosa
y manosa, el volumen de inyección fue de 100 µL y se implementó un factor de dilución de 1/5.
Como se observa no hay presencia de celobiosa y el tiempo de retención de la manosa está muy
cercano al de la glucosa por ende los resultados arrojados por los cromatogramas no será tomado
en cuenta ya que no arrojan alguna información que sea de utilidad.
63
7.7. Determinación de poder calórico
La determinación del poder calórico se desarrolló con un calorímetro IKA C2000, en este caso se
pesó un aproximado de biomasa de 1 g y se prenso por medio de un aditamento propio del equipo:
Ilustración 10. Pensado de la muestra para determinación de poder calórico.
Como resultado se obtiene una capsula de biomasa, se pesa en una balanza analítica, se añade
al recipiente de cuarzo, el cual se inserta en el reactor de combustión:
Ilustración 11. Reactor de combustión.
64
Se inserta el reactor de combustión al equipo para proseguir con el análisis:
Ilustración 12. Calorímetro IKA C2000.
El equipo se programó en modo isoperibólico, se insertaron las variables relevantes, en este caso
la masa exacta del analito (0,99518 g) y se procedido a correr el programa, de este modo se
determinó que el poder calórico del bagazo de caña de maíz corresponde a 16750 J/g.
65
Capítulo 3. Terminación de las condiciones experimentales y desarrollo de los
pretratamientos
7.8. Condiciones experimentales de los pretratamientos
Para el desarrollo de la metodología de los pretratamientos, se implementó la herramienta de
asistente de diseño de experimentos del software STATGRAPHICS Centurion (XVI.I), en este
caso, la variable respuesta se definió como la concentración total de azúcares extraíbles en mg/mL
después de realizados los pretratamientos, hidrólisis y posterior cuantificación por HPLC, así como
la concentración en mg/mL de cada una de las azúcares que posiblemente están presentes en la
biomasa (D-celobiosa, D (+) glucosa, D (+) xilosa, D (+) galactosa, L (+) arabinosa y D (+)
manosa).
Para el caso particular, los factores controlables fueron definidos como temperatura (°C) a la
cual se desarrolla el ensayo, Tiempo (min) de duración de la irradiación y concentración de la
base (%m/v), en este caso no se tuvieron encuentra variables como presión y potencia, ya que
estas no son controlables debido a la naturaleza del equipo implementado para las irradiaciones.
A modo de generalidad, todos los ensayos, tanto del pretratamiento alcalino como del
hidrotérmico, se desarrollaron a una concentración de biomasa del 10% m/v, añadiendo 1 g de
muestra por 10 mL de base o agua (dependiendo del pretratamiento) en un recipiente de 35 mL y
agitación baja, la potencia del equipo se ajustó a 150 W, la cual según el fabricante del equipo, es
la adecuada para el solvente implementado (agua), a excepción de puntos críticos donde fue
necesario llevar la potencia a 180 y 200 w.
Los valores máximos y mínimos de las variables ya mencionadas fueron determinados mediante
revisión bibliográfica exhaustiva para asegurar la pertinencia de dichos valores, los artículos
consultados en su mayoría corresponden a los encontrados en la base de datos ScienceDirect y
editorial Springer entre otras.
66
Como resultado de la revisión bibliográfica, los valores máximos y mínimos son: 120 a 210°C
para temperatura, 2 a 8 % m/v para concentración y 6 a 22 min para tiempo de irradiación.
Ingresando las variables y los valores anteriormente mencionados al asistente de diseño de
experimentos del software STATGRAPHICS Centurion (XVI.I) e implementando un diseño
central compuesto 2^2 + estrella se obtiene las siguientes condiciones experimentales:
Tabla 21. Condiciones experimentales del pretratamiento alcalino asistido por microondas.
Ensayo T°C [OH] min
1 120 2 6
2 165 5 0,545657
3 165 5 27,4543
4 240,681 5 14
5 165 5 14
6 210 2 22
7 165 0 14
8 210 8 6
9 120 8 22
10 165 5 14
11 210 2 6
12 210 8 22
13 165 10,0454 14
14 89,3193 5 14
15 120 8 6
16 120 2 22
Algunas de las condiciones experimentales que se muestran en la tabla anterior no corresponden
a los máximos y mínimos descritos anteriormente ya que el software implementa lo que él
denomina puntos estrella, que corresponden a dos valores fuera de los rangos para cada variable,
para hacer del modelo matemático predictivo mucho más robusto.
Posterior al desarrollo de los pretratamientos, se filtró al vacío, se almaceno el sobrenadante en
un vial de 10 mL y se lavó el sólido con agua destilada hasta clarificar por completo, la fracción
67
de biomasa restante fue puesta en una estufa a 40°C por 12 horas para luego almacenarla en un
vial de 10 mL y en el desecador por 15 días, siguiendo control de la masa hasta que esta fuese
constante.
Las concentraciones que se implementaron para el desarrollo del pretratamiento alcalino
asistido por microondas fueron determinadas por el asistente de diseño de experimentos del
software por medio de los valores máximo y mínimos seleccionados, las concentraciones
implementadas fueron:
Tabla 22. Concentraciones implementadas en el pretratamiento alcalino.
Base implementada Concentración % m/v
NaOH
2
5
8
10,0456
La base que se implementó para el desarrollo de los ensayos fue hidróxido de sodio grado
analítico Merck, las soluciones se estandarizaron por método indirecto con ftalato ácido de potasio.
Se pesó en la balanza analítica en promedio 0,411 g de ftalato ácido de potasio sobre un
Erlenmeyer de 100 mL y se le añadió 25 mL de agua destilada, las solución de base fue preparada
pesando en la balanza analítica en promedio 19,996 g de hidróxido de sodio, se disolvió en 50 mL
de agua destilada en un vaso de precipitado, por medio de un embudo de caña larga se vertió en
un balón aforado de 200 mL, se realizaron 3 lavados tanto al vaso de precipitado como al embudo,
los lavados fueron transferidos al balón y luego se procedió a aforar.
Se agregó al patrón primario (25 mL de ftalato ácido de potasio) de 2 a 3 gotas de fenolftaleína
y se procedió a valorar con la solución de hidróxido de sodio, la valoración se desarrolló por
68
triplicado. En promedio el volumen implementado para dar punto a la valoración fue de 0,8 mL
de base.
Para la determinación de la concentración exacta de la solución de NaOH se resuelven los
siguientes algoritmos:
𝐹 =𝑁𝐸𝑋𝐴𝐶𝑇𝐴
𝑁𝐴𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎=
𝑎 𝑒𝑞 − 𝑔⁄
𝑉𝑥 0,1 1000⁄=
𝑎 𝑒𝑔 − 𝑔⁄
𝑒𝑔 − 𝑔𝑥𝑉𝑥0,1
Donde:
a = g ftalato ácido de potación.
Eq-g = 204,22 g
V = volumen en mL de hidróxido implementado
Normalidad exacta:
𝑁𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎 = 0,1𝑥𝐹
Reemplazando los valores prácticos en los algoritmos se tiene que:
𝐹 =0,411 𝑔 204,22 𝑔⁄
204,22 𝑔𝑥0,8 𝑚𝐿𝑥0,1= 25,156
Normalidad exacta:
𝑁𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎 = 0,1𝑥25,156 = 2,516 𝑁
69
Pasando de normalidad a % m/v, tenemos que 2,5156 N de NaOH = 10,06 % m/v, las soluciones
restantes se estandarizaron por método directo, implementando como estándar la solución de
hidróxido de sodio al 10,06 % m/v, se desarrollaron diluciones de 100 mL como sigue:
Tabla 23. Estandarización de soluciones por método directo.
Concentración de la
dilución (% m/v)
Volumen de Stock
(mL)
Volumen de solvente
(mL)
Volumen final
(mL)
2 20 80 100
5 50 50 100
8 80 20 100
Dentro del desarrollo de los pretratamientos alcalinos se efectuaron réplicas de los ensayos 4,
8, 10, 12 y 13, esto debido a una pérdida de masa importante la cual afectaba el desarrollo de los
procesos de hidrólisis ácida, dicho tema se tratará a fondo en secciones posteriores.
Las condiciones experimentales de los ensayos que corresponden al pretratamiento
hidrotérmico se desarrollaron implementando la metodología ya descrita, para el caso particular,
se omitió la concentración como variable ya que en este caso esta no se requiere, las condiciones
experimentales se muestran a continuación:
Tabla 24. Condiciones experimentales del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.
Ensayo T°C min
1 120 6
2 165 0,545657
3 165 27,4543
4 240,681 14
5 165 14
6 210 22
7 210 6
8 120 22
9 89,3193 14
70
En este caso el número de ensayos se redujo a 9 ya que para el particular, se omitió la variable
concentración debido a la naturaleza del ensayo, por ende los 7 ensayos restantes no eran
necesarios debido a que eran replicas, se procedió de esta forma para asegurar que los resultados
de ambos pretratamientos se pudieran comparar punto a punto.
71
7.9. Desarrollo del pretratamiento alcalino
En la sección de anexos 11.1. se muestra a detalle como transcurrieron los ensayos y bajo qué condiciones.
7.9.1. Secado a peso constante (pretratamiento alcalino)
El protocolo de secado se desarrolló como se mencionó en secciones anteriores, las casillas en azul fueron los ensayos que se
replicaron ya que la masa resultante no era suficiente para el desarrollo de las hidrólisis.
Tabla 25. Seguimiento de secado (Pretratamiento alcalino).
Ensayo Mmi
(g)
Mpi (g) Mmi+Mpi
(g)
Mpii (30°C)
(g)
Mmii (g) Mbi (g) Mbii
(g)
Mmiii
(g)
8 Días 12 Días 15 Días
1 1,003 1,085 2,088 1,533 0,448 8,767 9,120 0,353 9,107 9,107 9,107
2 1,003 1,224 2,227 1,622 0,398 8,591 8,932 0,341 8,920 8,920 8,920
3 1,004 1,053 2,057 1,519 0,466 8,664 9,009 0,345 8,995 8,995 8,996
4 1,001 1,054 2,055 1,333 0,279 8,836 9,023 0,187 9,014 9,015 9,015
5 1,003 1,070 2,073 1,469 0,399 8,655 8,980 0,325 8,970 8,970 8,970
6 1,001 1,065 2,066 1,542 0,477 8,465 8,844 0,379 8,831 8,831 8,831
7 1,000 1,056 2,056 1,720 0,664 8,796 9,422 0,626 9,403 9,403 9,403
8 1,003 1,032 2,035 1,410 0,378 8,633 8,896 0,263 8,885 8,885 8,885
9 1,002 1,049 2,051 1,475 0,426 8,766 9,100 0,334 9,086 9,087 9,086
10 1,003 1,084 2,087 1,473 0,389 8,112 8,425 0,313 8,412 8,413 8,413
11 1,006 1,074 2,080 1,502 0,428 8,485 8,851 0,366 8,838 8,839 8,839
12 1,004 1,074 2,078 1,433 0,359 8,612 8,861 0,249 8,853 8,853 8,853
13 1,007 1,057 2,064 1,432 0,375 8,554 8,835 0,281 8,826 8,827 8,826
14 1,002 1,065 2,067 1,530 0,465 8,385 8,777 0,392 8,760 8,761 8,760
15 1,004 1,061 2,065 1,486 0,425 8,591 8,936 0,345 8,922 8,921 8,922
16 1,002 1,073 2,075 1,555 0,482 8,508 8,935 0,427 8,918 8,919 8,919
Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra
deshidratada, Mbi (g): Masa de vial vacío, Mbii (g): Masa del vial + la muestra, Mmiii (g): Masa resultante de la muestra.
72
7.9.2. Réplicas del pretratamiento alcalino
En la sección de anexos 11.2. se muestra a detalle como transcurrieron los ensayos y bajo qué condiciones.
7.9.3. Secado a peso constante (replicas pretratamiento alcalino)
Las réplicas se desarrollaron de igual forma como se desarrollaron los primeros ensayos para asegurar que estos ocurrieran bajo las
mismas condiciones que los primeros.
Tabla 26. Seguimiento de secado (Réplicas de pretratamiento alcalino).
Ensayo Mmi
(g)
Mpi (g) Mmi+Mpi
(g)
Mpii (30°C)
(g)
Mmii (g) Mbi (g) Mbii
(g)
Mmiii
(g)
8 Días 12 Días 15 Días
4 1,001 1,037 2,038 1,377 0,340 8,682 8,952 0,270 8,947 8,941 8,941
8 1,002 1,069 2,071 1,481 0,412 8,549 8,824 0,275 8,818 8,817 8,818
10 1,007 1,065 2,072 1,471 0,406 8,709 9,037 0,328 9,028 9,024 9,024
12 1,002 1,064 2,066 1,433 0,369 8,544 8,814 0,270 8,808 8,806 8,805
13 1,000 1,059 2,059 1,441 0,382 8,501 8,776 0,275 8,767 8,765 8,765 Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra
deshidratada, Mbi (g): Masa de vial vacío, Mbii (g): Masa del vial + la muestra, Mmiii (g): Masa resultante de la muestra.
73
7.9.4. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico
En la sección de anexos 11.3. se muestra a detalle como transcurrieron los ensayos y bajo qué condiciones.
7.9.5. Secado a peso constante (pretratamiento hidrotérmico)
El protocolo de secado se desarrolló como se mencionó en secciones anteriores.
Tabla 27. Seguimiento de secado (Pretratamiento hidrotérmico).
Ensayo Mmi
(g)
Mpi (g) Mmi+Mpi
(g)
Mpii (30°C)
(g)
Mmii (g) Mbi (g) Mbii
(g)
Mmiii
(g)
8 Días 12 Días 15 Días
1 1,000 1,040 2,040 1,813 0,773 8,697 9,436 0,739 9,409 9,409 9,409
2 1,000 1,060 2,060 1,816 0,756 9,043 9,783 0,740 9,766 9,754 7,755
3 1,002 1,060 2,062 1,803 0,743 8,713 9,428 0,715 9,411 9,397 9,397
4 1,000 1,080 2,080 1,572 0,492 8,560 9,034 0,474 9,032 9,022 9,022
5 1,000 1,080 2,080 1,836 0,756 8,467 9,196 0,729 9,170 9,170 9,17
6 1,007 1,060 2,067 1,673 0,613 8,588 9,144 0,556 9,135 9,127 9,127
7 1,002 1,082 2,084 1,722 0,640 8,552 9,122 0,570 9,109 9,103 9,103
8 1,002 1,058 2,060 1,845 0,787 8,611 9,353 0,742 9,322 9,322 9,322
9 1,002 1,080 2,082 1,857 0,777 8,337 9,062 0,725 9,044 9,032 9,032 Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra
deshidratada, Mbi (g): Masa de vial vacío, Mbii (g): Masa del vial + la muestra, Mmiii (g): Masa resultante de la muestra.
74
7.9.6. Hidrólisis ácida (pretratamiento alcalino)
Para el desarrollo de las hidrólisis, posteriores a los pretratamientos, es necesario contar con un
aproximado de 300 mg ± 10 mg de biomasa en peso seco, por lo cual la biomasa se deshidrato a
40°C por 12 horas y se almaceno por 15 días en el desecador, manteniendo registro de la masa
para asegurar peso seco.
En un Erlenmeyer de 100 mL, a los 300 mg ± 10 mg se le añadió 3 ± 0,01 mL de H2SO4 al
72% m/m, se agito por aproximadamente un minuto, luego se sometió a baño María durante 60 ±
5 min a 30°C ± 3°C, en seguida se agregó 84 ± 0,04 mL H2O desionizada y se sometió a
autoclavado (All-American modelo 25X-1) por 1 hora a 121°C, se filtró y se guardó el
sobrenadante en viales de 2 y 10 mL bajo congelación para su posterior análisis, se procedió de la
misma forma en las hidrólisis de ambos pretratamientos.
Las masas sometidas a hidrólisis en cada uno de los ensayos fueron las siguientes:
Tabla 28. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento alcalino).
Ensayo Mmi (g)
1 0,300
2 0,304
3 0,299
4 0,301
5 0,303
6 0,300
7 0,300
8 0,300
9 0,302
10 0,299
11 0,301
12 0,299
13 0,299
14 0,302
15 0,300
16 0,301
75
Los ensayos 4, 8, 10, 12 y 13 fueron replicados ya que las masas resultantes no fueron
suficientes para realizar las respectivas hidrólisis, las réplicas se desarrollaron de forma exacta a
los ensayos originales para asegurar que los resultados no se vieran afectados.
Ilustración 13. Proceso de autoclavado.
Después de realizadas las hidrólisis se observan grandes diferencias entre cada ensayo, entre
ellas coloración y cantidad de biomasa residual.
76
7.9.7. Hidrólisis ácida (pretratamiento hidrotérmico)
Las hidrólisis de los pretratamientos hidrotérmicos se desarrollaron como se mencionó en
secciones anteriores, las masas sometidas a hidrólisis en cada uno de los ensayos fueron las
siguientes:
Tabla 29. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento hidrotérmico).
Ensayo Mmi (g)
1 0,300
2 0,300
3 0,299
4 0,301
5 0,299
6 0,298
7 0,299
8 0,301
9 0,301
En este caso las características físicas de los hidrolizados son prácticamente iguales tanto en
color como en la cantidad de biomasa residual restante.
Ilustración 14. Hidrólisis de pretratamientos hidrotérmicos.
77
Capítulo 4. Cuantificación de azúcares extraíbles por cromatografía de alta eficiencia
7.9.8. Cuantificación de hidrolizados por HPLC
La cuantificación de los hidrolizados de los pretratamientos se desarrolló en un laboratorio
externo y con recursos propios, por lo cual se corrieron 2 muestras por pretratamiento dado que el
costo por muestra era alto.
El equipo en el cual se desarrolló el análisis se denomina sistema cromatografico Shimadzu
prominence el cual cuenta con un detector RID-10 A (índice de refracción), la columna
implementada fue una SZ-5535 Shodex, las condiciones de trabajo para la cuantificación fueron
las siguientes: fase móvil acetonitrilo/agua (80:20), caudal 0,8 mL/min, temperatura de columna
65°C, tiempo por corrida 15 min y volumen de inyección 20 µL.
Ilustración 15. Sistema cromatográfico Shimadzu prominence.
78
Para la cuantificación se desarrollaron dos curvas de calibración, la primera de xilosa, glucosa,
arabinosa y galactosa, la segunda de celobiosa y manosa, se procedió de esta manera ya que la
primera es de uso habitual en el laboratorio, mientras que la segunda no, a continuación se
muestran los rangos de concentración para el desarrollo de las mismas.
Tabla 30. Estándares y concentraciones de las curvas de calibración para la cuantificación por HPLC.
Azúcares Concentración g/L
Celobiosa 0.016-0.330
Glucosa
0.100-2.000
Xilosa
Galactosa
Arabinosa
Manosa
Los rangos de concentración para la celobiosa variaron debido a su solubilidad en la fase móvil;
se establecieron 6 puntos dentro de los rangos mencionados y se corrieron por triplicado a las
condiciones descritas anteriormente dando como resultados los siguientes tiempos de retención:
Tabla 31. Tiempos de retención de los estándares.
Estándar Tiempo de retención (min)
Xilosa 6,367
Arabinosa 7,097
Glucosa 8,495
Manosa 8,515
Galactosa 9,236
Celobiosa 13,632
En la sección 11.4. y 11.5. se muestra a detalle los cromatogramas con los tiempos de retención
de los estándares y las curvas de calibración de los mismos.
Las muestras seleccionadas para la cuantificación de azúcares corresponden a los ensayos 4 y
14 para el pretratamiento alcalino y 4 y 9 para el pretratamiento hidrotérmico, estos fueron los
79
puntos de elección ya que son los que pueden mostrar el comportamiento general de cada
pretratamiento, además de esto los puntos son equiparables entre pretratamiento y pretratamiento
ya que los ensayos mencionados se desarrollan bajo las mismas condiciones. A todas las muestras
se le aplico un factor de dilución de 1/5 siendo el volumen de inyección 20 µL para la
cuantificación por la curva de calibración 1.
A continuación se presenta la cuantificación para el pretratamiento alcalino
Ilustración 16. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min).
𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,077𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 0,385𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =
0,466𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 2,330𝑔 𝐿⁄
80
Ilustración 17. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min)
𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,019𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 0,095𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =
0,628𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 3,14𝑔 𝐿⁄
81
A continuación se presenta la cuantificación para el pretratamiento hidrotérmico
Ilustración 18. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min)
𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,124𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 0,62𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =
0,292𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 1,46𝑔 𝐿⁄
82
Ilustración 19. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min)
𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,048𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 0,24𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =
0,410𝑔 𝐿⁄
1 5⁄= 2,05𝑔 𝐿⁄
Como se mención en secciones anteriores, la cuantificación de celobiosa y manosa por medio
de la curva de calibración 2 no arroja datos de mayor relevancia ya que en las muestras no hay
83
presencia de celobiosa y los tiempos de retención de la glucosa y la manosa son muy cercanos, sin
embargo en la sección 11.6. se muestran los cromatogramas.
8. Análisis de resultados
Tabla 32. Resumen de resultados de caracterización de la biomasa.
Parámetro Resultado (Buruiana et al.,
2014)
(Dinuccio, Balsari,
Gioelli, & Menardo,
2010)
Humedad 8,80 % - -
Sólidos totales 91,20 % - 81,8 %
Cenizas 4,89 % 5,00 % -
Sólidos orgánicos 95,10 % - -
Análisis orgánico
elemental N: 0% 4,25 % 1,29 %
Extractivos 36,310% 12,20 % -
Lignina insoluble en
ácido 17,75 % - -
Lignina soluble en ácido 1,52 % - 2, 33 %
Lignina libre de
extractivos 19,27 % 18,49 % -
Hemicelulosa 21,33 % - 30,2 %
Celulosa 46,33 % - 12,4 %
Carbohidratos
estructurales 67,66 % 51,18 % 42,6
Poder calórico 16750 J/g - -
Dentro de los factores que limitan el acceso a la hemicelulosa y celulosa disponible, se
encuentra la cristalinidad, el grado de polimerización, contenido de lignina, superficie de contacto
disponible y tamaño de partícula, por esto antes de cualquier análisis composicional se procedió
al respectivo secado y fresado del material vegetal, obteniendo así un analito homogéneo, con una
cristalinidad y grado de polimerización mucho menor que el que presenta la biomasa residual en
bruto, además de esto se aumenta la superficie de contacto, por esto, el fresado es crucial antes
realizar análisis posteriores.
84
Después de preparada la muestra se determinó humedad y sólidos totales, dando como resultado
8,8 % y 91,2 % respectivamente, lo cual indica que la biomasa cuenta con un contenido de sólidos
totales alto comparado con ostros autores reportan un contenido de sólidos totales de 81,8 %
(Dinuccio, Balsari, Gioelli, & Menardo, 2010b); resulta beneficioso, ya que esto se traducen en
cantidades considerables de azúcares estructurales y no estructurales, que pueden llegar a ser
extraídas para diferentes fines. Con respecto al contenido de humedad este también es significante
ya que por medio de esta determinación se desarrollaron los análisis composicionales
implementado biomasa en peso seco, evitando así posibles errores.
El contenido de cenizas y sólidos orgánicos fueron 4,89 % y 95,10 % respectivamente, la
primera variable presenta valores similares a los reportados por Buruin et al., 2014, el cual reporta
5,00 %, está determinación indica el contenido de sólidos inorgánicos y material mineral de
carácter estructural y no estructural, la segunda variable indica el porcentaje que corresponde a
material orgánico disponible en una fracción de masa en peso seco de la biomasa, al ser un valor
alto se puede deducir que la biomasa cuenta con un contenido importante de azúcares extraíbles
(Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008).
El análisis orgánico elemental se desarrolló con el fin de determinar el posible contenido de
proteínas de la biomasa seleccionada, esto se logra multiplicando el porcentaje de N por el factor
de nitrógeno específico para el residuo de maíz (0,46) (Hames, Scarlata, & Nrel, 2008), en este
caso el análisis indica que no hay presencia de proteína, por el contrario, algunos estudios reportan
4,25 % de nitrógeno (Buruiana et al., 2014), mientras que otros 1,29 % (Dinuccio et al., 2010b),
en este caso se puede llegar a pensar en posibles errores instrumentales.
El contenido de extraíbles indica la cantidad de sólidos no estructurales presentes en la biomasa,
los cuales pueden ser de carácter orgánico e inorgánico, contemplando impurezas como suelo,
85
fertilizantes, ceras, clorofila y azúcares cuantificables (A. Sluiter, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter
& Templeton, 2008). Además de esto, se desarrolló este análisis para evitar errores en la
determinación de lignina y azúcares estructurales, para el caso, el contenido de extraíbles fue de
36,310 %, este valor es alto comparado con lo reportado por Buruin et al., 2014 (12,20 %), lo que
indica que la biomasa analizada cuenta con una fracción importante de sólidos no estructurales.
La determinación de sólidos estructurales se desarrolló en una biomasa libre de extractivos y
en peso seco para evitar posibles errores, este análisis muestra cual es el contenido de azúcares y
lignina libre de extractivos, en este caso el porcentaje de azúcares corresponde a celulosa y
hemicelulosa disponible en la biomasa, para el caso 67,666%, estudios similares reportan sólidos
estructurales de 51,18 % y 42,6 % (Buruiana et al., 2014) (Dinuccio et al., 2010b), se observa
entonces que la biomasa analizada cuenta con niveles altos de azúcares que se pueden llegar a
extraer, la fracción que corresponde a lignina libre de extractivos es de 19,278 %, valor cercano a
lo reportado por otros autores 18,49 % (Buruiana et al., 2014).
Según reportes del atlas del potencial energético de la biomasa residual en Colombia (Escalante
et al., 2011), anualmente se producen más de 1’278.642 toneladas al año de rastrojo de maíz, si se
toma en cuenta que la determinación del poder calórico dio como resultado 16.750 kJ/kg, se estima
que en Colombia se dejan de utilizar 21.417,2535 TJ/año, producto de los residuos de cosecha del
maíz.
Tabla 33. Resumen de resultados de cuantificación de azúcares por pretratamiento.
Ensayo [%m/v]* Tiempo min Temperatura °C Alcalino g/L Hidrotérmico g/L
A14-H9 5 14 89 2,715 2,08
A4-H4 5 14 240 3,235 2,29 *La variable concentración solo aplica para el pretratamiento alcalino.
86
Los puntos que se seleccionaron para la cuantificación y comparación en cuanto a la cantidad
de hidrolizables extraíbles por pretratamiento corresponden a los ensayos A14 y A4 para el
alcalino, mientras que para el pretratamiento hidrotérmico, H9 y H4. Fueron seleccionados estos
ensayos, ya que son los puntos críticos de ambos pretratamientos, donde se observa como es el
comportamiento general de cada uno de ellos, teniendo en cuenta que la solubilización del material
lignocelulósico inicia en rangos entre 150°C y 180°C (Bobleter, 1994; Garrote, Dominguez, &
Parajó, 1999), mientras que a temperaturas superiores de 250°C (Brownell, Yu, & Saddler, 1986)
se da inicio a proceso de pirolisis. La comparación entre pretratamientos se puede realizar punto
por punto ya que los ensayos se realizan bajo las mismas condiciones de tiempo y temperatura,
salvo la variable concentración ya que esta solo aplica para el pretratamiento químico.
Los resultados muestra que existe una relación directa entre el aumento de temperatura y la
cantidad de azúcares cuantificables en ambos pretratamientos, esto se debe a que la solubilidad de
celulosa y hemicelulosa es directamente proporcional al aumento de temperatura, para el
pretratamiento hidrotérmico se tiene un aumento del 10,096 % cuando se pasa de 89 °C a 240 °C,
mientras que, para el pretratamiento alcalino se observa un aumento del 19,096 % al pasar de 89
°C a 240 °C, se muestra entonces que el pretratamiento alcalino cuenta con un 9,056 % más de
efectividad que el pretratamiento hidrotérmico.
Comparando los resultados obtenidos en ambos pretratamientos, para los ensayos que se
desarrollaron a 89 °C se observa que el pretratamiento alcalino es más efectivo, ya que la
cuantificación de azucares muestra que este produjo un 30,538% más de azucares que el
pretratamiento hidrotérmico, en el caso de los ensayos desarrollados a 240 °C se observa que el
pretratamiento alcalino es más efectivo, ya que la cuantificación de azucares muestra que este
produjo un 41,266% más de azucares que el pretratamiento hidrotérmico, sumando los resultados
87
obtenidos en el pretratamiento hidrotérmico y los resultados obtenidos en el pretratamiento
alcalino en los ensayos desarrollados a 89°C y 240°C, se muestra que el pretratamiento alcalino es
más efectivo, ya que la cuantificación de azucares muestra que este produjo un 36,155% más de
azucares que el pretratamiento hidrotérmico, esto se debe a que la lignina al no ser soluble en las
bases se separa de mejor forma del resto de componentes estructurales, dando como resultado un
mejor acceso a la celulosa y hemicelulosa (Sindhu et al., 2015).
Como se mostró en los párrafos anteriores, los resultados de la caracterización de la biomasa
seleccionada para el estudio, muestran que los residuos cuentan con las características adecuadas
para su implementación como precursores de diferentes derivados, ya sea en la sucroquímica o en
la producción de biocombustibles, además de esto se evidencia que el pretratamiento alcalino es
más efectivo que el pretratamiento hidrotérmico.
Por último, se hace la claridad, pese a que en el diseño experimental se plantea la elaboración
de superficies de respuesta y análisis ANOVA, estos no se desarrollaron ya que la cuantificación
de azúcares extraíbles se dio por medio de un laboratorio privado y con fondos personales, por lo
tanto el costo de los análisis solo permitió la cuantificación de dos muestras por pretratamiento,
las cuales son insuficientes para el desarrollo de las superficies de respuesta y el ANOVA.
88
9. Conclusiones
i. Las biomasa residuales denominada RAC y RAI provenientes de la siembra de maíz se
pueden implementar como precursores de productos de interés ya sea económico o energético
como biodiesel, etanol, metano, derivados de furfural, hidrogeno o su implementación en la
sucroquímica donde se pueden obtener ácido oxálico, ácido acético, ácido L-glutámico, uretanos
entre otros, implementando métodos adecuados para potencializar la extracción de los azúcares
estructurales en la biomasa, se llega a esta conclusión gracias a los resultados arrojados por el
análisis composicional, el cual muestra bajo contenido de humedad, cenizas y un alto contenido
de azúcares estructurales.
ii. El pretratamiento alcalino asistido con microondas presentan mayor efectividad que el
pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas a la hora de acceder a los azúcares
estructurales de biomasa residual, ya que las bases, no solubilizan la fracción que corresponde a
lignina, la cual es uno de los interferentes determinantes a la hora de acceder a los componentes
de carácter estructural de la biomasa, mientras que los pretratamientos hidrotérmicos, no presentan
dicha capacidad ya que la respuesta de la biomasa frente a estos, es liberar los componentes no
estructurales tales como, residuos de fertilizantes, sales minerales, contaminantes propios del sitio
de muestro, y azúcares disponibles (sacarosa).
iii. El aumento de temperatura es directamente proporcional al acceso de celulosa y
hemicelulosa, ya que estas son hidrosolubles a altas temperaturas, sin embargo, se recomiendo no
sobrepasar los 240°C, ya que por encima de este punto comienzan a darse procesos de pirolisis, lo
cual daría como resultado, pérdida del material estructural de interés en la biomasa.
iii. La implementación de pretratamientos hidrotérmicos asistidos con microondas resultan más
efectivos que los pretratamientos desarrollados por medio de calentamiento convencional, ya que
89
los primeros, al generar vibraciones entre las moléculas dan como resultado fuerzas de fricción
entre las mismas, lo que hace que el calentamiento sea focalizado y homogéneo, mientras que en
los segundos, el calentamiento no es focalizado y se pueden observar puntos fríos y puntos caliente,
por ende los tiempos de pretratamiento implementado microondas son mucho más cortos con
respecto a los tiempos de pretratamiento desarrollados por calentamiento tradicional.
iv. El desarrollo de metodologías combinadas da como resultado, técnicas más efectivas en
cuanto a la extracción de sólidos estructurales de biomasa residual de gran valor tanto energético
como comercial, esto, producto del sinergismo dado por la combinación de los efectos positivos,
en este caso particular, efectos positivos del pretratamiento hidrotérmico asistido con microondas
y efectos del pretratamiento químico implementando hidróxido de sodio.
v. El modelamiento y diseño de experimentos implantando aplicaciones estadísticas, permite
una reducción importante en cuanto al número de experimentos requeridos, dando como resultados
modelos de predicción robustos desarrollados a bajo costo, permitiendo optimizar actividades de
investigación que requieren de grandes recursos.
90
10. Proyecciones
Se podrían implementar modelos estadísticos más robustos que den como resultados un número
mayor de ensayos por pretratamiento para que el modelo de predicción se acerque de mejor forma
a los datos experimentales, además de esto, se podrían implementar en los pretratamientos
diferentes bases para poder comparar cual es la más adecuada a la hora de hacer más exequibles
los azúcares estructurales de la biomasa, teniendo en cuenta variables como beneficio-costo.
91
11. Anexos
11.1. Desarrollo de los pretratamientos alcalinos asistidos por microondas.
Ilustración 20. Ensayo 1: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-6min)
Ilustración 21. Ensayo 1 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
92
Ilustración 22. Ensayo 2: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-34s)
Ilustración 23. Ensayo 2 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
93
Ilustración 24. Ensayo 3: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-27,45)
Ilustración 25. Ensayo 3 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
94
Ilustración 26. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min)
Ilustración 27. Ensayo 4 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
95
Ilustración 28. Ensayo 5: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14min)
Ilustración 29. Ensayo 5 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
96
Ilustración 30. Ensayo 6: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-22)
Ilustración 31. Ensayo 6 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
97
Ilustración 32. Ensayo 7: Pretratamiento alcalino (165°C-0%m/v-14min)
Ilustración 33. Ensayo 7 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
98
Ilustración 34. Ensayo 8: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min)
Ilustración 35. Ensayo 8 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
99
Ilustración 36. Ensayo 9: Pretratamiento alcalino (120°C-8%m/v-22min)
Ilustración 37. Ensayo 9 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12
horas.
100
Ilustración 38. Ensayo 10: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14)
Ilustración 39. Ensayo 10 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
101
Ilustración 40. Ensayo 11: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-6min)
Ilustración 41. Ensayo 11 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
102
Ilustración 42. Ensayo 12: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min)
Ilustración 43. Ensayo 12 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
103
Ilustración 44. Ensayo 13: Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min)
Ilustración 45. Ensayo 13 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
104
Ilustración 46. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min)
Ilustración 47. Ensayo 14 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
105
Ilustración 48. Ensayo 15: Pretratamiento alcalino (120°C-8%m/v-6min)
Ilustración 49. Ensayo 15 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
106
Ilustración 50. Ensayo 16: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-22min)
Ilustración 51. Ensayo 16 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
107
11.2. Desarrollo de las réplicas del pretratamiento alcalino asistido por microondas.
Ilustración 52. Ensayo 4 (Replica): Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min)
Ilustración 53. Ensayo 4 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
108
Ilustración 54. Ensayo 8 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min)
Ilustración 55. Ensayo 8 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
109
Ilustración 56. Ensayo 10 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14)
Ilustración 57. Ensayo 10 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
110
Ilustración 58. Ensayo 12 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min)
Ilustración 59. Ensayo 12 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
111
Ilustración 60. Ensayo 13 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min)
Ilustración 61. Ensayo 13 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
112
11.3. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas
Ilustración 62. Ensayo 1: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-6min).
Ilustración 63. Ensayo 1 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
113
Ilustración 64. Ensayo 2: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-34s).
Ilustración 65. Ensayo 2 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
114
Ilustración 66. Ensayo 3: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-27,45min)
Ilustración 67. Ensayo 3 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
115
Ilustración 68. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min).
Ilustración 69. Ensayo 4 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
116
Ilustración 70. Ensayo 5: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-14min)
Ilustración 71. Ensayo 5 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
117
Ilustración 72. Ensayo 6: Pretratamiento hidrotérmico (210°C-22min)
Ilustración 73. Ensayo 6 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
118
Ilustración 74. Ensayo 7: Pretratamiento hidrotérmico (210°C-6min)
Ilustración 75. Ensayo 7 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
119
Ilustración 76. Ensayo 8: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-22min)
Ilustración 77. Ensayo 8 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
120
Ilustración 78. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min)
Ilustración 79. Ensayo 9 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por
12 horas.
121
11.4. Tiempos de retención de los estándares de azúcares.
Ilustración 80. Tiempos de retención de xilosa, arabinosa, glucosa y galactosa.
122
Ilustración 81. Tiempo de retención de manosa.
.
123
Ilustración 82. Tiempo de retención de celobiosa.
124
11.5. Curvas de calibración de los estándares azúcares.
Ilustración 83. Curva de calibración xilosa.
125
Ilustración 84. Curva de calibración arabinosa.
126
Ilustración 85. Curva de calibración glucosa.
127
Ilustración 86. Curva de calibración galactosa.
128
Ilustración 87. Curva de calibración celobiosa.
129
Ilustración 88. Curva de calibración manosa.
130
11.6. Cromatogramas de la cuantificación de celobiosa y manos
Ilustración 89. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min).
Ilustración 90. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min).
131
Ilustración 91. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min).
Ilustración 92. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min).
132
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